同步双风轮耦合水平轴风力机是一种新型风力发电系统。现以同步双风轮耦合水平轴风力机为研究对象,构建了小型风力机性能测试平台,使用低速直流式风洞,研究该型风力机的功率和扭矩等气动性能。同步双风轮耦合水平轴风力机与单风轮风力机在构型上明显不同,实验结果表明,该型风力机基本气动性能与单风轮四叶片水平轴风力机相似,但有细微的差异。同步双风轮耦合水平轴风力机的风轮转速、风轮间距、风轮间相位夹角等参数共同影响风力机的气动性能。通过对实验结果间细微差异的辨析,研究了各参数对风力机气动性能的影响的具体模式和规律。

以一台1.5 MW变桨变速型三叶片风力机为研究对象,探讨了三种入流条件下水平轴风力机气动性能的异同,着重研究了一种典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响.结果表明:低空急流下风轮的功率和推力比均匀流和剪切流的大;低空急流下叶片表面压力总体大于其他两种流动,急流衰减内的翼型截面在吸力面中段存在一个比剪切更加显著的压力突降区;叶片各截面的法向力系数和切向力系数整体大于其他两种流动;低空急流下各截面的攻角比剪切流的大0.05%~36.66%,叶片表面的失速区尤其是叶根附近的失速区相对其他两种流动更大,分离线向前缘靠近,急流衰减内的翼型截面分离涡现象更加明显;对不同特征低空急流下水平轴风力机气动性能影响的研究将在未来的工作中进行.

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。

考虑风力机叶片与空气的流固耦合作用,基于ANSYS workbench工作平台,采用双向流固耦合的方法,模拟预测风力机的气动噪声,并与额定工况下的实验数据对比。结果发现:耦合作用下风力机气动噪声增大,且耦合模拟得到的气动噪声声压级与实验值更为接近,证明计算模型的准确性;风轮后的辐射声最大声压级在叶片径向0.57R^0.71R位置,风力机叶片与空气的流固耦合作用,增大了辐射声的声压级,而对于辐射声的传播规律影响很小;耦合作用下随尖速比的增加,相同位置气动噪声的声压级呈现缓慢增大的趋势,不同尖速比下气动噪声的声压级随轴向距离的增加变化规律大致相同,均呈不断减小的趋势。

以NREL 5MW水平轴风力机为研究对象,通过数值模拟方法,研究了未偏航状态和偏航状态下L小翼(β=45°、a=2m)对风力机气动性能的影响。通过分析叶尖处速度矢量图可知,安装L小翼能够降低叶尖扰流下洗速度,改变叶尖环量分布,减小叶尖涡强度,延缓叶尖处气流与叶片过早分离,增大了叶片上下表面压差,在较宽风速范围内提高了风力机的输出功率。当风力机处于偏航状态时,L小翼对风力机功率增升作用随着偏航角度的增大逐渐减小,随着风速的增大,功率增升作用先增大减小,在额定风速时功率增升效果最明显。L小翼增加了叶片转矩的同时降低了叶片输出转矩和轴向力的波动,改善输出电能品质,提高叶片抗疲劳性能,增加叶片使用寿命。

随着世界各国纲领性行业政策的积极制定,风电行业将继续高速发展。风电机组大型化(达到多兆瓦级甚至十兆瓦级)、海洋化(从陆地扩展至海上)、智能化(辅以智能化结构、材料和控制策略)、数字化(精准预测和实时感知调控)是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务,由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象,就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨,本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因;然后,针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计(特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题)与流动控制等关键空气动力学问题,从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手,对其研究现状及取得的关键进...

由于俯仰角的存在,水平轴风力机在运行时可避免叶片与塔筒的碰撞,但这也对风力机气动噪声的产生及传播带来影响。为探究不同俯仰角对风力机气动噪声的影响规律,文章采用大涡模拟(LES)结合声学方程(FW-H)对不同俯仰角下的风力机声场进行数值模拟。模拟结果表明随着俯仰角的增大,风轮输出功率先增大后减小,当风轮处在3°俯仰角时,风力机输出功率最大,能量有一个明显扩散,声压级整体有所上升,气动噪声上升幅度变大;存在俯仰角时,气动噪声沿轴向与展向的传播规律与未俯仰时相似,随着俯仰角的增加,最大声源位置从叶中向叶尖移动;A计权下风轮在3°俯仰角时声压级幅值增幅最小,因此3°俯仰角为最佳俯仰角。

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。

通过对中国B类风场平均风剖面来流条件下的风力机进行大涡模拟,研究风力机的尾流特性。研究发现,对于尾流时均轴向速度,速度剖面在1~7D范围内呈非对称“W”形分布,随着尾流继续向后发展,“W”逐渐演化为“S”形。由于风剪切效应影响,尾流轴向速度垂直剖面以轮毂中心线呈不对称性分布,尾流下半部区域较上半部区域的轴向速度恢复更快。对于轮毂中心线高度的尾流轴向速度,最大亏损发生在7D位置,最大亏损率为24.8%。距离风轮越远,尾流湍动能变化幅度和平均湍动能均逐渐减小。在下游1~9D范围内,出现了规律性的湍流结构,随着尾流逐渐远离风轮,小尺度高频湍流结构逐渐向大尺度低频湍流结构演化。

将风力机转子时间步进自由尾迹分析模型用于风力机空气动力学分析得到每个桨叶微段上的三维翼型升阻力数据;然后将所得的三维升阻系数与BEM理论结合起来计算风力机转子的气动性能以计入三维旋转效应的影响。将计算结果与实验数据进行比较验证了该方法的有效性为后续进一步研究失速延迟、提高风力机转子气动性能预测的准确性提供理论支撑。