风力机组叶片的先进翼型族设计

大型风力机组叶片设计需要专用的翼型族,以满足风力机组运行的环境要求。高升阻比、低粗糙度影响是该翼型族的气动性能特点。为了发展我国具有自主知识产权的风力机专用翼型族,在科技部863项目的支持下,北京航空航天大学联合国内气动研究单位,通过理论分析、数值模拟和风洞试验等技术途径,开发了两个适用于大型风力机组叶片的先进翼型族。理论分析和风洞试验表明,设计结果基本达到了预先设定的气动性能指标。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

一种大型风力机叶片的气动优化设计方法

探索研究了一种大型风力机叶片优化设计的方法,采用有限叶片变环量气动计算模型,同时结合了PSO优化算法。以一3MW大型水平轴风力机叶片设计为例,并同传统的方法进行比较论证,显示了本文方法的可行性和优越性。     

海上双馈电机开路故障容错性能评估

海上风电机组面临故障率高、停运损失大等问题,迫切需要及早发现运行故障、及时提供容错机制。构建基于西蒙决策理论的双馈风力发电机开路故障容错设计方案,选取电能质量和风力发电机组可靠性作为典型评估指标。结合双馈风力发电机组机侧变流器单相开路故障容错案例,给出量化的容错性能指标。结果表明及时有效的故障容错机制能够提高海上风电场的可用率,避免故障恶化,降低故障带来的经济损失。     

风力发电机组齿轮箱设计和制造经验浅谈

针对风力发电机组齿轮箱工作状态时的负载状况，总结以往经验，并结合国内外有关资料，提出风力发电机组齿轮箱(齿轮、箱体、轴承、润滑等)在设计制造中的一些新看法。这些思路，在设计实践中得到了应用，取得了良好的效果。     

风速前馈与变论域模糊结合的变桨距控制

针对传统PID变桨距控制难以在大惯性、强耦合的风力发电机组中取得较好的控制效果,提出了一种风速前馈的变论域模糊变桨距控制方法。根据功率误差及其变化率,通过模糊推理得到输入与输出论域的伸缩因子,避免了确定伸缩因子函数模型及其参数的困难;又采用风速前馈的方式实现桨距角的动态补偿,提高了系统的响应速度。仿真结果表明:当风速超过额定风速时,所提方法能使风力发电机组的转速更加稳定、输出功率更加平稳。     

基于粒子群算法的海上风机叶片优化算法研究

提出了一种针对不同风场条件提高海上风力发电机叶片气动效率的方法.风力发电机叶片是风机效率的核心部件,叶片在不同海上风场条件下功率差别很大,这导致了风机效率的降低.通过引入改进粒子群优化算法(PSO),基于修正动量叶素理论(BEM),对叶片沿展向的弦长分布和扭转角进行针对特定风场条件的气动优化.以美国再生能源实验室提供的5MW海上风机叶片作为算例,结合我国东海风场条件,叶片优化后平均功率提高了6.7％,取得了理想效果.结果表明,该优化方法具有较高的气动优化效率.     

大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究

大厚度钝后缘翼型由于其气动和结构的优点,近来被作为大型风力机叶片设计时的内侧翼型成为风力机翼型设计的热点之一EULL由于此类翼型厚度和风洞阻塞度的限制,大雷诺数的风洞实验数据很少。耦合RANS方程和基于线性稳定性分析EULL捩预测方法,进行了大厚度钝后缘翼型气动性能计算研究。使用Gridgen程序生成计算网格,湍流模型为S-A模型。对常用的钝后缘修形方式如直接截断、对称增加厚度等并且有风洞实验结果的几种翼型进行了CFD计算并和实验结果及文献计算结果进行了比较。结果表明升力系数在线性段,计算结果和实验结果吻合很好,但是对失速迎角的捕捉能力差;阻力系数计算结果和实验值吻合较好。不同修形方式的计算结果为钝后缘修形设计提供了参考。     

大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析

采用参数化建模技术快速建立大型风力机复合材料叶片三维有限元壳模型,并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行停机及以额定转速旋转两种工况下的模态分析,其中旋转工况考虑了离心力导致的应力刚化效应和旋转软化效应。通过编制插值程序,将CFD计算所得的叶片表面分布压力,导算到叶片结构计算的有限元壳模型上,并以此为载荷对叶片进行静气弹稳定性分析。以某初步设计的1.5MW风机为例的计算结果表明:在参数化三维壳模型建模基础上进行的模态分析技术与结合CFD的静气弹稳定性分析技术,有利于快速、准确地计算大型复合材料叶片的动态特性、识别叶片结构的薄弱部位,并预测叶片发生局部屈曲的可能性及其发生的位置。     

风力透平叶片振动时的三元非定常气动力

本文给出了确定风力透平叶片振动时的三元非定常气动力的方法,用核函数方法建立三元非定常气动力方程,用格林公式确定核函数,对于核函数的奇点作了有效处理,给出了处理关系式。对不同的工况进行了三元非定常气动力计算,与二元计算的对照表明,在所计算的范围内,非定常气动力的三元效应是不大的,可以应用相应的二元数值分析再沿截面积分(即准三元方法)来进行非定常气动力计算。     

可调桨距冲压空气涡轮气动特性实验与数值分析

冲压空气涡轮风洞实验主要目的是采用相似准则,模拟空中加油工作状态,测量涡轮输出功率,分析涡轮气动特性。实验分别使用励磁发电机和加油泵作为测功器,通过调桨变距并测量最大输出功率。气动特性实验表明在风洞气流速度比加油机最小飞行速度低16%的条件下,冲压涡轮输出功率即可满足加油需要。论文还采用高数值稳定性代数Baldwin-Lomax湍流模型模拟冲压涡轮全三维混合型流场,分析流场主要气动特性,讨论桨叶表面载荷的分布。数值模拟结果显示在冲压空气涡轮桨叶近轮毂区域需要进一步优化。      

大型风力机气动弹性响应计算研究

发展了一套快速预测风力机动态响应的分析方法.针对南京航空航天大学设计的兆瓦级大型风力机叶片NH1500,按照工程梁方法对叶片及塔架结构进行简化,生成有限元梁模型.根据动量叶素理论编写气动力程序,为有限元模型提供气动载荷,从而完成时域情况下风力机的响应计算.最后,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

基于N-S方程和自由转捩预测耦合求解的钝后缘翼型气动性能计算

大厚度钝后缘翼型由于结构和气动性能上的优点,被用于作为大型风力机叶片设计的内侧翼型。而由于其大厚度的特点和风洞实验阻塞度的限制,大雷诺数的风洞实验数据很少,给此类翼型的设计和使用带来困难。本文基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和自由转捩预测耦合求解方法,进行了大厚度钝后缘翼型的气动性能计算研究;针对由于钝后缘后的涡脱落而造成的翼型表面压力分布的脉动,发展了有时均效应的转捩模型以考虑这种周期脉动的时均效应,并对传统的耦合求解方法进行了修改。通过对风力机翼型DU97-W-300的钝后缘改形DU97-Flat翼型的气动性能计算,分析了网格数对计算结果和计算效率的影响。并将计算的DU97-W-300翼型的气动性能和实验结果进行了比较,表明通过本文发展的耦合求解方法可以在更少的计算网格时得到比参考文献更吻合风洞实验结果的气动性能,为此类翼型的设计和使用提供数值计算基础。     

一种实用的风力机叶片气动设计方法研究

提出了水平轴风力机叶片的优化设计模型,该模型以风轮平均年能量输出最大为设计目标,并将风速的概率分布考虑进来。为了获得较好的优化结果,首先采用PROPID程序对叶片进行反设计,获得较好性能的叶片几何,在此基础上,运用遗传算法进行搜索寻优,这样不仅减小了搜索的范围,也降低了搜索的时间。对叶片面积附加约束,以获得符合实际的叶片,采用5阶贝塞尔函数在设计点之间进行插值,以获得光滑的几何外形。利用该方法优化设计了600kW风力机叶片。与已有叶片相比,优化结果显示了明显的优越性,验证了该优化方法的有效性和实用性。     

水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析

基于Hamilton原理在惯性系下建立叶片动力学方程。针对风力机预弯叶片,引入上反坐标系描述叶片的预弯变形。叶片结构动力学模型基于中等变形梁理论,引入Hartenberg-Denavit增广转换矩阵,应用5节点18自由度梁单元模型进行叶片离散。翼型气动力计算采用Pierce修正的风机Leishman-Beddoes非定常气动力模型,入流模型采用Suzuki广义动态尾迹入流模型。利用Newmark数值积分方法获得叶片气弹响应的稳态周期解。分别以美国国家可再生能源实验室Phase VI非定常空气动力学实验及其公开的1.5MW风力机叶片为算例计算了有/无预弯叶片的气弹响应,验证了本文所建模型的正确性。     

Review of state of the art in smart rotor control research for wind turbines

This article presents a review of the state of the art and present status of active aeroelastic rotor control research for wind turbines. Using advanced control concepts to reduce loads on the rotor can offer great reduction to the total cost of wind turbines. With the increasing size of wind turbine blades, the need for more sophisticated load control techniques has induced the interest for locally distributed aerodynamic control systems with build-in intelligence on the blades. Such concepts are often named in popular terms ‘smart structures’ or ‘smart rotor control’. The review covers the full span of the subject, starting from the need for more advanced control systems emerging from the operating conditions of modern wind turbines and current load reduction control capabilities. An overview of available knowledge and up-to date progress in application of active aerodynamic control is provided, starting from concepts, methods and achieved results in aerospace and helicopter research. Moreover, a thorough analysis on different concepts for smart rotor control applications for wind turbines is performed, evaluating available options for aerodynamic control surfaces, actuators (including smart materials), sensors and control techniques. Next, feasibility studies for wind turbine applications, preliminary performance evaluation and novel computational and experimental research approaches are reviewed. The potential of load reduction using smart rotor control concepts is shown and key issues are discussed. Finally, existing knowledge and future requirements on modeling issues of smart wind turbine rotors are discussed. This study provides an overview of smart rotor control for wind turbines, discusses feasibility of future implementation, quantifies key parameters and shows the challenges associated with such an approach.