对安装平板小翼和融合小翼后的风力机气动特性和流场分布进行了研究,探究不同小翼对额定工况下风力机总功率、叶片表面压力和叶尖流场分布的影响。结果表明:在叶尖增加小翼可提高风力机总功率,融合小翼具有较好的气动特性,其总功率比无小翼时提高了10.61%;小翼的存在使叶尖吸力面压力降低,叶片表面压差增大,与平板小翼相比,融合小翼叶片表面压差更大;小翼削弱了叶尖绕流强度,使局部诱导速度减小,气动攻角增大,并使叶尖涡的涡核位置远离叶片主体,有效减小了叶尖涡产生的不利影响。

文章利用CFD方法对不同参数叶尖融合小翼风力机额定工况下的气动性能进行了数值模拟。研究结果表明,风力机叶尖融合小翼能够使叶片输出功率和风力机总功率得到提升,但同时使叶片轴向推力、挥舞力矩增大。吸力面小翼比压力面小翼风力机功率高1.26%~1.37%,体现在叶片相对高度0.88以上区域叶片输出功率不同。小翼高度和等效长度的增加使叶尖损失减小,叶片输出功率增大。不同倾斜角度的小翼会改变叶尖流场分布,从而改变叶尖部分和小翼的功率输出。在风轮扫风面积相同的情况下,小翼倾斜角度为55°左右时风力机气动性能最优。

以NREL 5MW风力机为研究对象,基于ANSYS Workbench平台建立风力机叶片流固耦合数值模型,研究风力机叶片位移、应力随转速的变化规律,并利用Fourier函数拟合不同转速下叶片最大位移和应力数据。结果表明:叶片的位移、应力响应均随转速增加,峰值左移,在相同时间内完成周期增多,峰值增大但增幅减小;随转速增加,位移呈现出从叶根向叶尖递增的分布,而叶片最大应力集中在中部和根部;叶片最大应力、位移随转速变化的曲线呈现S型,Fourier拟合曲线较好地反映了叶片响应规律。该研究结果为风力机安全运行提供了参考。

以海上风力机塔架为研究对象,对比分析了不同Davenport脉动风速作用下塔架的位移与应力。结果表明:塔架的最大位移均发生在顶端,最大应力出现在底部;海上风力机塔架不同工况下位移、应力的分布特征相似,其响应趋势基本相同;塔架的最大应力与位移随风速的增大均呈非线性增长;最大Mises应力与最大位移基本呈线性关系。