垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化

为了避免风力机系统的共振而导致的系统损坏和噪声污染,通过系统动力特性分析和动力学响应计算分析,得到了风力机塔柱的低阶固有频率和谐响应的数据,以及风轮和塔柱之间的动态关系与整个系统的动态特性,为结构动态设计以及优化提供科学依据.首先确定对风力机塔柱系统结构动态性能影响最大的模态频率,提取该阶模态频率作为动态优化的目标,最后分析塔柱结构与风轮之间的动态干扰.结果表明：原设计在风轮以设计额定转速160 r/min运行时,其产生的简谐荷载对风力机塔柱具有十分严重的破坏性,通过增加主轴钢管的壁厚并提高其刚度等优化工作,经计算证明,在激振力不变的情况下,第一阶固有频率得到提高,塔柱的各阶固有频率下的最大位移大幅减小,优化效果明显,达到结构动力设计的目的.     

H型风力机新型变桨方案数值模拟

针对H型风力机叶片旋转至0°和180°方位角时攻角为0,力矩系数为负值且其附近较大区域也为负值或较小,由此对风力机整体气动性能产生较大负面影响这一问题,提出以改善小攻角区域性能为目标的新型变桨方案,在叶尖速比为4.5时设计桨距角变化曲线改变整机气动性能.采用动网格技术模拟叶片旋转,RNG k-ε模型模拟湍流影响,应用Fluent软件对变桨和定桨风力机进行数值模拟和分析比较.计算结果得出,变桨之后H型风力机叶片扭矩明显增大,最高提升幅度达14%;上盘面,30°~80°方位角叶片扭矩提升幅度较大;下盘面,除270°附近方位角处扭矩无明显变化外,其他方位角叶片扭矩均有较为明显的提升.变桨后风力机内流场变化也较为明显,流场内速度差异较大,内流场的低速区面积变大.从涡量云图也可得到变桨能有效地减小了叶片进入尾流区的概率,降低了尾流对整体风力机性能的影响.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

升阻混合风轮的性能规律

为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能.结果证明：阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及.建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性.     

垂直轴风力机塔柱结构的分析及优化

为了避免风力机系统的共振而导致的系统损坏和噪声污染,通过系统动力特性分析和动力学响应计算分析,得到了风力机塔柱的低阶固有频率和谐响应的数据,以及风轮和塔柱之间的动态关系与整个系统的动态特性,为结构动态设计以及优化提供科学依据.首先确定对风力机塔柱系统结构动态性能影响最大的模态频率,提取该阶模态频率作为动态优化的目标,最后分析塔柱结构与风轮之间的动态干扰.结果表明：原设计在风轮以设计额定转速160 r/min运行时,其产生的简谐荷载对风力机塔柱具有十分严重的破坏性,通过增加主轴钢管的壁厚并提高其刚度等优化工作,经计算证明,在激振力不变的情况下,第一阶固有频率得到提高,塔柱的各阶固有频率下的最大位移大幅减小,优化效果明显,达到结构动力设计的目的.     

风速和翼型弯度对垂直轴风机气动性能的影响

为了解风速和翼型弯度对H型垂直轴风机气动性能的影响,选取3种风速(4,8和12 m/s)作为设计工况,以NACA0015,NACA2415,NACA4415和NACA6415 共4种不同弯度翼型作为设计翼型,对某小型H型垂直轴风机进行了二维非定常数值模拟研究,评价指标包括C_P-λ曲线、Pa-n曲线和Qa-n曲线3方面.研究结果表明:风速和翼型弯度均对风力机的气动特性有很大影响.风速主要影响风轮的C_P(P_a)值、运行叶尖速比的范围和高效运行区的范围,且三者均随风速的增大而增大.翼型弯度影响着风轮的C_Pmax值、运行叶尖速比的范围、高效运行区的范围、整个运行区的C_P(Pa)值、经济性和起动性能等多个方面.但是,风速对翼型弯度的选择基本没有影响.综合考虑各因素,弯度为0~2%的翼型是垂直轴风机最为理想的选择.     

升阻混合风轮的性能规律

为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能．结果证明:阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及．建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性．     

考虑小攻角影响立轴风轮气动性能改善方法

立轴风力机叶片在旋转1周中其攻角正负转化,在0°和180°方位角攻角为零,表现为负力矩,这降低了叶片的平均力矩,也降低了升力型立轴叶轮整体性能.首先概述了升力型立轴叶轮的研究现状,分析指出目前的研究均主要针对叶轮整体机构、叶片结构及流场情况进行大攻角高性能区域的改善,未减轻小攻角区域的影响.针对此问题,提出了2种考虑小攻角影响的立轴风轮气动性能改善方法,干扰气流方法和新变桨方案.前者主要消除0°和180°位置角零攻角和负力矩,后者通过改变高性能区的范围来减小特殊位置角的影响并产生新的性能极大值点.基于叶素动量理论,建立双盘面多流管模型,分别运用于NACA0012翼型、旋转半径为2 m的2叶片Φ型、H型立轴风力机,并且采用Matlab程序设计语言进行相应计算研究.研究结果显示这2种方法大幅度地降低了负力矩影响范围,整体效果改善显著,上盘面都优于下盘面.