考虑攻角范围的垂直轴风力机叶片翼型优化设计

为解决目前垂直轴风力机叶片翼型设计都是在单一攻角下设计，而忽略了垂直轴风力机运行时叶片攻角变化范围大的问题。该研究提出一定攻角范围下垂直轴风力机叶片翼型廓线优化方法，首先采用类函数与B样条函数相结合的方法来表征翼型气动外形，以一定攻角范围下的切向力系数之和作为叶片翼型优化的目标函数。进一步利用粒子群算法并耦合翼型气动性能预测软件RFOIL对H型垂直轴风力机叶片翼型气动外形进行优化设计。最后从风能利用率、力矩系数、涡量分布和速度分布这4个方面讨论优化翼型较初始翼型的优越性。结果表明：相比原始垂直轴风力机，新型垂直轴风力机翼型能有效提高风力机的力矩系数及功率系数，其最大功率系数为0.362，提高了8.45%。此研究对于如何设计高性能垂直轴风力机翼型具有很好的借鉴意义。     

200 W浓缩风能型风力发电机的应用及运行效果

浓缩风能型风力发电机是使自然风通过聚能装置把稀薄不稳定的风能浓缩和均匀化之后利用的一种风力发电装置。200 W小型机组已经在中国和日本多个地区应用,当自然风速为10 m/s时,发电机效率为0.603,机组功率达到了208.6 W,风能利用系数为0.52,运行效果良好。与其它国内外优秀机组相比具有风轮直径较小,起动风速低,风能利用系数较高等特点。该机组采用6叶片风轮,高风速时可自动限速,安全性高,应用前景广阔。     

低风速适用型水平轴风力机气动性能优化与试验

为开发低风资源适用型风力机,以100 W水平轴风力机为研究对象,分析不同设计叶尖速比和设计攻角对风轮变风况气动性能的影响;考虑低风速地区风资源数据统计特点,以提高年发电量和降低启动风速为目标,以设计叶尖速比、设计攻角、叶片弦长和扭角为变量,采用NSGA-II算法进行全局多目标气动寻优;开展风力机性能测试试验。结果表明,优化后年发电量提高了9.14%,风轮启动转矩提高了9.62%;在不同负载条件下,优化叶片功率输出均有明显提高,启动风速由3.84 m/s降低到3.03 m/s;该方法避免设计陷入局部优化,提供一种低启动风速与高功率输出矛盾解决方案,为低风速水平轴风力机设计与应用提供重要参考。     

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。     

FDG—7型风力提水机组风轮模型风洞选型的试验研究

在综合考虑了风轮的功率系数C_p值和相对扭矩系数C_m值以及风轮的制造成本和制造工艺的情况下,确定了FDG-7型风力机风轮的设计原型。新设计等弦长叶片风轮的实测空气动力特性比根据理论推测的性能要好。文中介绍了风轮模型气动特性的测试方法,给出了对比试验研究结果及分析结论。     

浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

多种载荷作用下H型垂直轴风力机叶片的结构优化

为改善时变载荷下H型垂直轴风力机叶片的结构性能,通过FSI映射准确、实时地提取气动力并进行多种荷载耦合作用时的多目标结构优化设计。分别应用解析法和有限元法求解构件弯曲变形的应力分量与强度比,比较计算结果验证有限元分析过程的正确性。将坐标旋转变换和缩放横纵坐标系数相结合进行NACA0021翼型尾缘改型,并使翼型中弧线位于风轮圆周上,获得有弯度的尖尾缘翼型NACA0021SC。利用APDL语言建立新翼型叶片的参数化模型,采用FLUENT软件计算其表面实时压力分布,基于FSI映射方法获得气动力。以叶片的质量最小同时层合板强度比最大为设计目标,利用惯性权重余弦自适应和学习因子动态调整改进粒子群算法,进行重力、离心力、气动力共同作用下叶片结构的多目标优化。结果表明:单叶片在各方位角下优化后,质量分别减小13.70%,11.85%,8.09%和9.60%,最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数的最大降幅为9.34%、20.71%、23.77%、9.38%;风轮优化后,质量、最大位移、最大应力、最大应变和强度比倒数最大值减小7.51%、1.90%、8.50%、20.20%和16.11%。研究结论可为风力机叶片在考虑时变载荷影响下的结构优化设计提供指导。     

基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析

风力机的尾流效应对下游风力机的气动性能和疲劳载荷均有重要影响。为了研究叶尖速比对水平轴风力机非定常尾迹特性的影响,该研究在中性大气条件下采用基于致动线模型的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法对不同叶尖速比下运行的风力机进行了数值模拟,并采用本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法对风力机尾迹结构进行了分析。结果表明,叶尖速比对风力机下游12D（D为风轮直径）范围内速度分布有显著影响,随着流向距离的增加,叶尖速比的影响逐渐减弱;风轮尾迹中2D处的速度亏损最大,在下游28.5D附近速度完全恢复;叶尖速比对风力机尾迹湍流强度有很大影响,叶尖速比为2时尾流湍流强度最弱,而叶尖速比为3时尾流湍流强度最大,说明该叶尖速比下尾流与大气边界层掺混作用剧烈,有利于尾迹速度恢复;叶尖速比对风力机尾迹结构的尺度和含能大小有显著影响,叶尖速比为3时尾迹中的大尺度结构及其含能占比最高,随着POD模态阶数的增加,尾流结构尺度和含能逐渐减小;风力机尾迹结构由反向旋转的高、低速涡对组成,其垂向尺度可达到整个边界层厚度,而风力机风能吸收利用效率主要体现在尾迹展向湍涡结构的尺度。该研究可为深入理解叶尖速比对风力机尾迹平均统计特征及结构演化的影响提供依据,为风力机优化设计和运行策略制定提供帮助。     

宁夏农牧区荒漠化草场风能发电提水模式资源评估

利用风速观测资料研究分析了宁夏广武荒漠化草场风速变化规律,对风能密度、有效风速小时数、风能发电量和提水量进行估算,并提供了不同时期可能灌溉量与灌溉面积。结果表明广武年均有效风能密度为120W/m~2,属全国风能资源区划一般区内,年均有效风能储量为562kW·h/m~2,3～20m/s有效风速累积4680h,属风能资源可利用区,不利于发展大中型风电,但适合风电井灌提水的家庭经营小型农牧场,其风能资源可使广武额定功率2kW的风力机抽水2.0～5.2m~3/h,可满足2～7hm~2人工草场或农田生长季灌溉用水,解决农牧区生活用电和人畜饮水。     

偏航角对风力机气动性能的影响

偏航工况水平轴风力机存在典型的动态特性,为了提高动态载荷特性的预测精度,该文采用计算流体力学方法(computational fluid dynamics,CFD)研究了MEXICO(model experiments in controlled conditions)风轮在偏航角0、15°、30°、45°工况下的整机气动性能。数值模拟得到的叶片截面压力系数分布、载荷系数随方位角变化规律以及轴向入流时速度分布与试验测量值均吻合较好。当偏航角在30°以内时,采用CFD方法计算的轴向载荷系数的相对误差在±5%以内,切向载荷系数的相对误差在±15%以内;当偏航角达到45°时,轴向载荷系数的相对误差超过±15%,切向载荷系数的相对误差接近±30%,同时偏航运行时速度分布与试验测量相差较大。偏航运行时叶根处的翼型升阻力迟滞特性较叶尖处显著,但叶根处攻角变化范围小于叶尖处。采用动量叶素法进行风力机性能预测时必需充分考虑该特性。该研究为工程预测模型的建立和偏航工况风力机设计运行提供了参考。     

考虑粗糙度敏感位置的钝尾缘翼型气动性能研究

针对考虑粗糙度敏感位置的风力机翼型钝尾缘改型前后的气动性能进行研究,揭示钝尾缘改型对表面粗糙翼型增升效果的影响规律。基于k-ωSST湍流模型,计算表面光滑与粗糙的S822翼型的升、阻力系数,并与试验结果进行比较;采用坐标旋转变换与缩放横纵坐标系数相结合的方法,建立钝尾缘改型型线数学表达式,分析对称钝尾缘改型増升效果得到S822翼型的最佳尾缘厚度;研究吸力面和压力面布置粗糙度时翼型的气动性能,获得上、下翼面的粗糙度敏感位置;对具有粗糙度敏感位置的翼型按最佳尾缘厚度进行钝尾缘改型,计算改型前后翼型的升、阻力系数和升阻比,并分析尖、钝尾缘翼型的粗糙度敏感性。结果表明:翼型进行钝尾缘改型的最佳尾缘厚度为2%弦长;吸力面和压力面的粗糙度敏感位置分别为距前缘1%弦长和5%弦长处;钝尾缘改型使升力系数和最大升阻比均明显升高,显著改善了表面粗糙翼型的气动性能,且尖、钝尾缘翼型的粗糙度敏感性综合指标值为10.68%和8.15%,降低了翼型对粗糙度位置的敏感性。研究结论可为表面粗糙风力机叶片翼型的设计和优化提供指导。     

叶片前缘磨损形貌特征对风力机翼型气动性能的影响

根据实际风电场中风力机叶片前缘磨损在不同阶段的形貌特征,通过对DU 96-W-180风力机翼型前缘进行改型,建立几何模型,结合SST k-ω湍流模型求解RANS方程,分析了翼型的升力、阻力及流场特性,研究了风力机翼型前缘磨损形貌特征对其气动性能的影响。结果表明,前缘磨损特征为砂眼和小坑时,对翼型的升、阻力系数影响较小;而前缘磨损特征为脱层时,对翼型的升阻特性影响显著,尤其随着攻角增加,升力系数大幅减小,阻力系数急剧增大,并且随着磨损的加剧,减小和增加的幅度逐渐增大。前缘磨损加剧了翼型吸力面尾缘附近的流动分离,使分离点前移;砂眼和小坑对气流在翼型前缘的流动影响较小;脱层对翼型前缘附近流动影响很大,导致翼型表面出现台阶流,气流绕过台阶先发生分离,然后再次附着翼型表面流动。     

基于LPV增益调度的风电机组控制验证与仿真分析

随着风力发电机组装机容量的持续增加,风力发电机组出力特性及其优化运行成为行业关注的热点。针对湍流风下风电机组的动态响应特性,提出抑制风湍流的LPV增益调度控制方法。基于2 MW风电机组模型进行控制器设计,分别采用PI控制算法与LPV控制算法进行仿真计算。机组载荷的波动主要集中在风轮旋转频率1 P的倍频上。仿真计算结果表明在不同风速下,机组显示出不同的运行特性。在低风速时,塔影效应的作用较为显著,在高风速时,湍流对载荷的影响较为明显。相比于PI控制,LPV控制能够跟随机组运行状态调整控制参数,能更好的抑制湍流对机组的影响。在16 m/s湍流风下,功率和齿轮箱低速轴转矩在3P分量上分别降低了35.1%和41.8%。因此,在LPV控制下,齿轮箱的疲劳损伤降低了,发电机的功率波动减缓了。能够增加风电机组的预期寿命,对电网也更加友好。     

强湍流相干结构对偏航风力机叶根载荷的影响

强湍流风对偏航状态风力机叶片的动态载荷会产生显著影响，叶片根部载荷的动态特性是影响风力机使用寿命和安全运行的关键因素。该研究采用NWTCUP（The NREL National Wind Technology Center Model）风谱模型耦合KHB（Kelvin-Helmholtz Billow）流动，构建了一种强湍流相干结构风况，利用FAST（Fatigue，Aerodynamics，Structures and Turbulence）程序计算了该风况下NREL 1.5 MW风力机在不同偏航角下的气动载荷，研究了KHB湍流相干结构对偏航状态下风力机叶根动态载荷的影响。研究表明，湍流相干结构会使风力机载荷的波动幅值和能量增加。偏航角的增大对叶根摆振力矩影响较小，但对叶根挥舞力矩影响较大，并使二者波动程度增强。湍流相干结构使叶根摆振力矩的最大值、标准差平均升高28.30%和0.64%，最小值和平均值平均降低27.28%和1.903%，叶根挥舞力矩的最大值、标准差和平均值平均升高36.27%、59.57%和2.906%，最小值平均降低89.83%。叶根载荷的小波分析表明，湍流相干结构对摆振力矩频域能量影响较小，且能量主要集中在低频段并与雷诺应力的u′w′、v′w′分量对应较好；对叶根挥舞力矩频域能量影响显著，且能量变化与雷诺应力的u′w′分量对应较好，随着偏航角的增大，叶根挥舞力矩频域能量整体升高。对叶片根部进行加固则可以有效提升叶片的使用可靠性。