近年来在风力机大型化的趋势下,为提高大型风力机叶片性能,研究推导了改进型BEM法,并验证其在兆瓦级风力机叶片设计领域的可行性。基于经典动量理论,引入叶根及叶尖损失因子的Prandtl修正和Glauert修正,在修正推力及转矩表达式的基础上,结合R.Lanzafame等基于BEM理论和角动量理论推导出的推力及转矩表达式,进而推导出轴向诱导因子及切向诱导因子函数表达式,再对轴向诱导因子进行Spera修正和必要简化;同时,结合兆瓦级风力机叶片设计特点及载荷特征,给出了大型风力机叶片翼型的选择原则,为设计叶片提供了参考依据。以1.5 MW风力机叶片为实例研究,对比研究了改进型BEM法及经典Glauert法在兆瓦级风力机叶片设计领域的应用特点,验证了改进型BEM法在兆瓦级风力机叶片设计领域的正确性,为风力机叶片理论的进一步发展奠定了基础。根据叶片设计结果,探讨...

针对WindPACT1.5 MW机组,通过大涡模拟探究风轮5°仰角时周期性脉动源(仰角、塔影效应、偏航、风剪切)对风力机总功率的影响,并结合逆叶素动量理论,进一步分析功率与升力系数之间的联系。结果表明,仰角、塔影效应加仰角与偏航加仰角均使得风力机总功率产生“3P”的波动规律,而风剪切加仰角使得总功率产生“锯齿状”的高频率波动规律,其中偏航是总功率损失的主要因素,塔影效应是功率波动的主要因素,且发现升力系数波动规律与功率单周期内的波动规律相似。

为了研究双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能的影响,以NREL Phase VI风力机叶片为模型,采用CFD方法分别对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共10种模型进行模拟,分析其在不同风速、转速下对风力机叶片气动性能的影响。计算结果表明,所有不同高度参数双排涡流发生器在不同转速、来流风速时,均能提升风力机叶片气动性能,改善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时,双排涡流发生器整体流动控制效果最好,即最佳高度参数Case 4(第一排涡流发生器高度3 mm,第二排涡流发生器高度9 mm)前低后高组合。同时,最佳高度参数双排涡流发生器和单排涡流发生器相比能进一步延迟流动分离,取得更好的流动控制效果。

尾缘襟翼(TEF)因其对翼型气动特性的调控能力,被认为是降低叶片疲劳和局部载荷最具可行性的气动控制部件。对TEF进行建模,采用Xfoil和CFD软件分析了TEF对翼型气动特性的影响及其机理,并从叶素理论角度对变化来流下TEF的减载效果进行了验证,结果表明:TEF位于不同摆角时翼型升阻力系数均有不同程度的变化,TEF可有效实现对翼型气动特性的主动控制;TEF摆动改变了翼型表面的静压分布和流动状态,进而对翼型升阻力和失速攻角产生影响;TEF可快速有效降低风速突然增加后的叶素受力,进而控制并减小叶片载荷。

建立独立液压变桨距控制系统的数学模型,并对变桨距控制系统进行稳定性分析,确定独立液压变桨距控制系统的设计参数;通过对风力机系统进行SIMULINK仿真分析,验证了风力机能在超额定风速状态下正常工作,说明此独立液压变桨距控制系统模型的可行性和设计参数的准确性,为开发液压变桨距控制器提供了依据。

针对垂直轴风力机的气动性能及其控制问题,以计算流体力学为基础,对H型垂直轴风力机分别进行二维和三维模拟,并利用实验数据对模型结果进行验证,发现二维模拟时k-εRealizable模型表现更好,三维模拟时则k-ωSST模型更佳。同时,对旋转过程的流场特征进行分析。此外,利用试验验证变量泵-定量马达型液压传动方案的可行性,并以Fluent模拟所获取的风力机特性曲线作为建模参考,采用AMEsim建立变量泵-变量马达液压传动仿真系统,分别通过变量泵、变量马达、蓄能器三环节控制实现了最大功率追踪、极端风况下的限速运行以及变风速下的恒转速输出,相比原有系统更具高效性和可靠性。

分析了等升力系数法、等弦长法、Glauert设计法、失速型Glauert设计法和Wilson法五种常用的风力机叶片设计方法。利用MATLAB软件编制了叶片设计和性能计算程序，分别用上述五种方法设计了300W新翼型风力机叶片，并做了气动性能的对比分析。结果表明，基于Wilson法设计的风力机叶片，气动性能最佳，且更加符合设计要求。为了进一步验证设计计算的可靠性，在内蒙古工业大学可再生能源基地，完成了用Wilson设计法设计的风力机的功率测试实验，实验结果与计算基本吻合。

针对大型风力机塔架的柔性支承特性及其对风力机齿轮传动系统动态性能的影响，运用振动力学理论建立包含塔架刚度、时变啮合刚度、啮合阻尼和齿侧间隙等因素风力机齿轮传动系统的非线性动力学模型，基于4-5阶变步长龙格库塔对系统的无量纲非线性动力学进行求解，研究柔性支承下的风力机齿轮系统的振动特性。通过对目前国内1．5MW主流风力机齿轮系统进行实例分析，得到风力机在风载荷作用下塔架和风力机齿轮传动系统的二级平行轴斜齿轮传动系统的动力学特性。分析结果表明，在风载荷作用下，柔性支承下的风力机齿轮系统振动更加剧烈；竖直风力机塔架刚度减小，风力机齿轮相对扭转振动响应由倍周期分岔进入混沌运动。

采用基于滑移网格模型的三维非定常数值模拟方法,对NREL Phase Ⅵ风力机在轴流工况下的气动性能进行计算,并与参考文献提供的实验值进行比较,验证了方法的可靠性。然后对该风力机在偏航工况下的尾迹结构和气动性能进行计算,结果表明：偏航工况时,风力机尾迹呈现明显的偏斜特性,且尾迹区的速度恢复比轴流工况慢;旋转周期内,叶片根部和中部受偏航入流的影响较大,导致叶片表面压力变化较大且吸力面流动分离严重,而叶尖区域受偏航的影响较小。计算结果能够为研究风力机的动态失速以及风场中风机群的优化布置等问题提供指导。

该文在兆瓦级风力机理论分析的基础上，研究液压变桨距控制策略，基于MATLAB／Simulink建立大型风力机的整机模型，对风力机的各个工况进行仿真，并分析了风力机的动态特性和仿真性能。仿真结果表明，该模型是有效且可靠的，为进一步研究风力机的功率控制提供了保证。