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.     

国外10MW风力机叶片气动布局研究

降低风能利用成本是风力机单机装机功率向大型化发展的主要驱动力,10MW风力机已成为当今国外大型风力机研发的目标。本文简要回顾了风力机叶片空气动力研究对风力机大型化发展的贡献,探讨国外针对10MW风力机开展的新型叶片气动布局研究。     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

风力机柔性叶片振动变形对其气动阻尼的影响分析

为了研究大型水平轴风力机柔性叶片的振动变形对其气动阻尼的影响,用叶素动量理论计算了风力机叶片气动力,用有限元法计算了结构动力响应,基于能量损失法建立了风力机的气动阻尼分析模型.重点分析了叶片振动扭角、挥舞倾角、摆振倾角对攻角的影响,考虑了挥舞速度,摆振速度对入流速度、入流角的影响.以某5MW海上风力机为例,分析计算了风力机整个叶片的气动阻尼.结果表明挥舞倾角、扭角对挥舞方向气动阻尼影响较大,会使其减小;摆振倾角对摆振方向气动阻尼的影响较大,会使其增大;振动变形对气动阻尼沿叶片的分布没有影响.     

基于面元-黏性涡粒子混合法的风力机风轮气动计算

为了快速准确地预估大型风力机风轮的气动性能,建立了一种基于面元-黏性涡粒子混合(HPVP)法的风力机风轮气动性能计算方法,自主编制了相应的计算程序.以model experiments in controlled conditions(MEXICO)风轮为算例,将计算结果与实验数据、CFD方法进行了比较.结果表明:HPVP法可准确计算主要工作区的叶片压力分布.相比于CFD方法,在流动分离较小时,HPVP法可以快速获得与CFD方法精度相当的结果,但计算时间仅需要CFD方法的千分之一.除能够给出叶片压力分布外,HPVP法还能给出风力机风轮流场的其他流动细节.      

基于致动线方法的风力机气动数值模拟

致动线方法是通过引入体积力代替叶片的致动线技术与三维Navier-Stokes方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法。该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究。以NH1500叶片为计算模型,从叶片载荷分布和功率系数两个方面,将引入高斯分布的致动线方法的数值模拟结果与BEM理论、CFD方法以及风洞实验进行了系统的比较,验证致动线方法用于风力机气动数值模拟的可行性,并且对致动线方法计算出的尾流流场进行简要的分析。     

基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用,叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素,结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而,风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性,从而导致风力机性能预测出现较大误差。本文基于柔性多体动力学,建立了一种新型双向流固耦合模型,在结合致动线方法和大涡模拟的基础上,考虑了结构和气动弹性对风力机性能的影响,可用于动态结构载荷预测及流固耦合分析。对5 MW基准风力机进行建模,验证了计算模型的准确性,并讨论了叶片的瞬时结构响应,分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明,叶片的柔性在风力机气动弹性设计中不可忽略,同时本文模型可以准确捕捉风力机的尾迹结构（包括叶尖涡和叶根涡）,更适用于现代兆瓦级复合材料风力机气动弹性和尾迹分析。     

基于性能及轻量化的新型风力机叶片优化设计研究

针对复合材料风力机叶片形状复杂,采用传统的复合材料层合板理论难以建立叶片质量计算数学模型的缺点,本文提出了将叶片的质量计算转化为叶片曲面的面积计算模型。基于修正的风力机空气动力学理论,在叶片全部产生功率区域内采用作者全新设计的风力机CQU-A翼型系列进行翼型沿叶片展向分布设计,验证了该翼型族具有较高的气动性能;针对变桨距风力机,以最大功率系数及最小叶片面积为多目标优化模型,建立了新型2MW风力机叶片设计及优化数学模型。采用改进的多目标粒子群算法对风力机叶片进行优化设计,优化结果表明,相比初始风力机叶片,新叶片的工作性能有了较大的提高,叶片的表面积有了明显的降低,意味着叶片的质量有了显著的减少,降低了叶片的材料成本;同时叶根载荷也得到了有效的控制。该新型叶片的研究为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。     

台风过境全过程大型风力机风荷载特性

台风结构的复杂性导致当处于不同台风生命周期时风力机的风荷载特性差异巨大,目前针对风力机台风过境全过程风荷载的研究尚属空白。本文在总结国内外台风实测研究成果的基础上,提出了一种针对风力机的台风过境全过程风场模拟方法。以美国可再生能源实验室5MW风力机为例,系统研究了台风过境全过程大型水平轴风力机的风荷载分布特性。结果表明,本文搭建的风力机台风过境全过程风场模拟方法可有效重现台风过境时风力机的全过程风荷载特征。台风眼壁干扰阶段的风力显著大于其它台风过境阶段,需要注意的是,台风眼过后的后眼壁阶段的台风影响仍然十分显著,叶片和塔架的弯矩极值分别达到前眼壁阶段的92.83%和93.97%。此外,研究发现台风外围干扰阶段(前后)和台风眼影响阶段的塔筒底部以纵向弯矩为主,而眼壁干扰阶段存在横风向弯矩占据主导地位的情况,大型风力机抗台风设计的关注点应与正常停机工况区别对待。本文研究结论可为进一步研究大型风力机抗强台风设计提供数据输入和参考依据。     

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。     

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。     

大型风机启动力矩计算研究

本文应用直升机空气动力学载荷计算方法,对大型风力发电机组叶片启动力矩进行计算,为大型风力发电机组叶片的研制提供可行的计算方法。     

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.     

Economical Design of Wind Generating Plants

A definitive analysis technique is proposed for designing wind generating plants to produce electrical energy at minimum cost. The method employs variation in essential design parameters: rated power level, rated wind velocity, design wind velocity, and number of generator poles. These parameters in turn define wind turbine radius, turbine speed, rated torque at step-up gear input, and step-up gear ratio. When these are combined with site (or region) specific wind statistics, appropriate wind plant cost functions, and criteria by which to compute annual cost of ownership, the result yields the cost of produced energy for the several design variations. The selected design is that one for which the cost of produced energy is minimum.     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

考虑气动弹性的风力机叶片性能分析

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用叶素-动量理论计算气动力,采用盒形梁理论计算结构变形,耦合静气动弹性平衡方程,建立了风力机叶片静气动弹性分析程序。本文运用该程序进行了多种风速下叶片载荷及风轮性能的计算,分析了气动弹性对原设计的影响。结果表明,对于兆瓦级风力机,在大风速情况下,气动弹性对风轮性能有着明显影响,并会造成气动载荷的重新分布,影响结构设计的准确性。该方法可用于对叶片气动设计与载荷计算方法进行气动弹性修正。     

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验,测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数,研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成,其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔,其中吸力面1排,前缘区3排,压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响,以往采用空气作为主流及二次流,在低温差下进行试验,所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时,必须进行修正。     

风力发电机输出功率条件子集区间估计方法

根据风力发电机的风速和输出功率历史数据,对风机输出功率均值与风速的关系进行最小二乘参数辨识,以此为基础求出风机输出功率偏差与风速的关系。采用Python概率分析确定风机输出功率偏差各子集的概率分布类型,估计其特征参数,以求出其概率密度函数,进而对风机输出功率偏差进行概率置信区间预测。基于风机输出功率均值与风速的关系和风机输出功率偏差子集的置信区间估计模型,实现了根据风速预报值对风机输出功率的置信区间进行预测。用实际风机的历史纪录对所提方法进行了测试和验证。结果表明:基于风速将风机输出功率偏差划分成多个子集,可提高风机输出功率概率置信区间预测的精准度。     

透平级通流部分全设计变量多目标优化设计

采用优化设计方法优化某轴流透平级通流部分造型,利用基于非均匀有理B样条(NURBS)曲线技术的参数化造型方法提取包括叶片和端壁造型的全设计变量,选取级效率最大化和动叶根部最高温度最小化进行多目标优化设计.引入基于并行子空间的组合优化策略,缩短了优化设计周期.优化设计后的透平级效率提高了0.664%,动叶根部最高温度下降达透平级内温度变化范围的1.5%.该工作表明该优化设计方法在透平级设计上具有重大应用价值.      

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.