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叶尖小翼对风力机流场及振动特性的影响研究

叶尖小翼对风力机流场及振动特性的影响研究

作者：王龙湘潭大学

学位级别：硕士

风能是新能源中十分重要的一种,其总量巨大,绿色无污染,也是近几年发展十分迅速且极具利用价值的一种。但风力发电与传统发电相比,其制造成本高且效率低下,提高发电效率一直是现代风力机理论不断探索的方向。因此,本文以10kw水平轴风力... 详细信息

风能是新能源中十分重要的一种,其总量巨大,绿色无污染,也是近几年发展十分迅速且极具利用价值的一种。但风力发电与传统发电相比,其制造成本高且效率低下,提高发电效率一直是现代风力机理论不断探索的方向。因此,本文以10kw水平轴风力机为研究对象,运用Fluent对带不同尺寸的平板小翼风力机进行数值模拟,分析不同的叶尖小翼对风力机的流场特性及振动特性的影响,得出带小翼风力机功率放大特性机理。本文主要研究内容有:1.基于Ansys Workbench平台,运用Fluent模块对有无小翼风力机进行数值模拟,将直叶片与带小翼叶片的风力机进行对比,研究其速度场、压力场及叶尖绕流对于风力机功率的影响,得出带小翼风力机功率放大特性的机理。对不同的带小翼的风力机叶片在不同速度场下进行数值模拟,找出功率放大特性最优的叶片。2.对有无小翼的风力发电机单叶片进行模态分析及单向流固耦合下的预应力模态分析,得出各叶片的固有频率及各阶模态振型下的最大变形量和最大预应力,结果表明叶片加小翼及所加小翼的尺寸对叶片最大变形量和最大预应力的影响大于单向耦合风压预应力对叶片的影响。3.基于Workbench平台,运用Fluent模块与Transient Strural模块对有无小翼叶片进行双向耦合分析,获取叶片与流场的动态响应特性,分析叶尖小翼对风力机双向耦合振动特性的影响。本文为添加叶尖小翼对小型风力机气动性能及振动特性的影响提供了有效的参考方法,所得结果对于带小翼风力机叶片的设计和安全稳定运行具有重要的参考价值和实际工程意义。

关键词：风力机叶尖小翼功率放大振动流固耦合

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矩形扩压叶栅中应用叶尖小翼的性能研究

矩形扩压叶栅中应用叶尖小翼的性能研究

作者：阚晓旭大连海事大学

学位级别：硕士

随着航空工业的迅猛发展,航空发动机向着高推重比、低耗油率、高效率和安全性方向飞速发展,而压气机作为航空发动机的核心部件,主要的发展方向是更高的压比,更高的效率及更大的级负荷。其中,压气机级负荷的提升将导致叶顶泄漏更加严重,... 详细信息

随着航空工业的迅猛发展,航空发动机向着高推重比、低耗油率、高效率和安全性方向飞速发展,而压气机作为航空发动机的核心部件,主要的发展方向是更高的压比,更高的效率及更大的级负荷。其中,压气机级负荷的提升将导致叶顶泄漏更加严重,叶片分离更加容易。诸多研究表明,叶顶泄漏流动所造成的能量损失在压气机总损失中占举足轻重的分量。削弱叶顶泄漏流动,对于改善压气机气动性能具有可观的效果,因此,有效地抑制压气机叶顶泄漏流动成为国内外专家学者关注的重要研究方向之一。受到飞机翼梢小翼的启发,在压气机叶片顶部加装叶尖小翼来改善叶栅气动性能是本论文的主要研究内容。本论文通过低速风洞吹风实验测量了不同间隙和不同冲角下原始叶型（即不带有叶尖小翼的叶片）、带有吸力面叶尖小翼的叶型、带有压力面叶尖小翼的叶型和带有组合小翼的叶型（即既带有吸力面叶尖小翼又带有压力面叶尖小翼的叶片）出口截面的气动参数和上端壁壁面静压分布,研究叶尖小翼的应用对于改善矩形扩压叶栅气动性能的影响及其机理。与原始叶型相比,带有吸力面叶尖小翼的叶型有效地削弱了叶顶泄漏涡的尺度和强度,从而降低了矩形扩压叶栅总的能量损失,有效地改善了叶栅流场气动性能。实验结果表明,在O°冲角、叶顶间隙为1.0%H（即叶顶间隙为1%叶片高度）工况下,带有吸力面叶尖小翼的叶型改善叶栅气动性能效果最为明显。而压力面叶尖小翼的应用增加了叶顶泄漏涡的强度,增大了叶栅的能量损失,恶化了叶栅流场气动性能。组合小翼受到吸力面侧小翼和压力面侧小翼的共同影响,对叶栅流场的气动性能影响不是十分明显。在不同冲角下,原始叶型的能量损失波动较为强烈,而带有吸力面叶尖小翼的叶型能量损失在不同冲角下变化比较平稳。吸力面叶尖小翼的应用一方面降低了叶栅的能量损失,提高了叶栅的效率;另一方面,使得叶栅变冲角特性变化更加平稳。实验研究发现,在较大负冲角下,压力面叶尖小翼和组合小翼的应用不但没有降低叶栅的能量损失,反而加剧了叶栅的压力面分离程度。本论文通过数值模拟方法对原始叶型和带有吸力面叶尖小翼的叶型在0°冲角、叶顶间隙为1.0%H下的旋涡结构做了详细的分析,建立了相应的三维旋涡结构,分析了叶栅流道内的叶顶泄漏涡、通道涡、集中脱落涡等主要旋涡结构的形成和发展规律,从旋涡结构演化的角度分析了叶尖小翼的应用对矩形扩压叶栅的作用机理。

关键词：矩形扩压叶栅叶尖小翼叶顶泄漏涡旋涡结构

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基于叶尖小翼的大型风力机增功研究

基于叶尖小翼的大型风力机增功研究

作者：陈恺南京航空航天大学

学位级别：硕士

水平轴风力机叶片为有限展长部件,当风轮对风旋转时,叶尖效应形成高强度螺旋状发展的叶尖涡,产生的诱导阻力导致叶片低速轴扭矩降低。叶尖小翼作为一种风力机增功装置,可有效调整叶片周围叶尖涡的环量分布,减小叶片的诱导阻力,提高风力... 详细信息

水平轴风力机叶片为有限展长部件,当风轮对风旋转时,叶尖效应形成高强度螺旋状发展的叶尖涡,产生的诱导阻力导致叶片低速轴扭矩降低。叶尖小翼作为一种风力机增功装置,可有效调整叶片周围叶尖涡的环量分布,减小叶片的诱导阻力,提高风力机的输出功率。为深入研究叶尖小翼对风力机叶片气动性能的影响,本论文开展以下几方面的研究工作:使用CFD和FVW方法计算NREL Phase Ⅵ及NH1500风力机叶片的气动性能,并与叶片模型风洞实验结果进行对比,吻合一致的数据验证了CFD及FVW方法模拟的可靠性;使用两种方法计算小翼设计原型NREL 5 MW风力机叶片的扭矩及推力,并与FAST结果进行对比,进一步验证两种方法的计算精度,并深入分析叶尖涡三维绕流特性造成的气动损失效应。定义小翼构型参数扭角、上反角、后掠角,建立总试验次数为16的正交试验表,并使用CFD方法计算不同小翼构型在5 m/s、8 m/s、11.4 m/s风速下的气动性能,正交分析扭矩、推力试验结果以研究各小翼参数对叶片气动性能的影响变化规律;测试典型构型的风速敏感性;对比典型构型与原型叶片的流场细节及气动特性研究小翼增功机理。基于小翼构型气动性能CFD计算数据,建立风轮扭矩及推力的深度学习预测模型,包括线性、二阶、三阶多元回归模型和多层感知器、径向基函数神经网络模型,并评估对比各模型的预测精度;发展自由涡尾迹模型,在叶尖小翼段布置升力面模型,模拟叶尖小翼的气动性能,并将FVW计算结果与预测模型预测结果进行对比,彼此验证计算预测精度。

关键词：叶尖小翼风力机叶片计算流体力学自由涡尾迹正交试验气动特性多元回归模型神经网络模型

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叶尖肋条和叶尖小翼对涡轮转子性能的影响

叶尖肋条和叶尖小翼对涡轮转子性能的影响

作者：马永军南京航空航天大学

学位级别：硕士

现代燃气涡轮发动机的气动设计和试验方法已经可以使涡轮部件效率达到93%以上，再想进一步提升涡轮效率，减小叶尖间隙泄漏流损失就成为科技人员的研究重点。流经叶尖间隙的气流不仅没有对叶片做功，而且由其形成的泄漏涡还会影响主流... 详细信息

现代燃气涡轮发动机的气动设计和试验方法已经可以使涡轮部件效率达到93%以上，再想进一步提升涡轮效率，减小叶尖间隙泄漏流损失就成为科技人员的研究重点。流经叶尖间隙的气流不仅没有对叶片做功，而且由其形成的泄漏涡还会影响主流的做功性能，造成的损失约占发动机总损失的20%0%。所以，涡轮叶尖间隙流是发动机损失的一个主要来源。为了减小间隙泄漏损失，改善涡轮效率，提高发动机性能，研究如何控制涡轮叶尖间隙泄漏流就变得很有必要。现今减少间隙泄漏的方法大致可分为两种，一种为被动控制，另一种为主动控制，由于采用主动控制方法，必须要给发动机添加控制反馈系统，从而增加了发动机构造的复杂性也导致发动机重量增加。所以本文所研究的叶尖处理构型方法‐‐‐转子叶尖凹腔内添加肋条，转子叶片压力面增设叶尖小翼，或者两者的组合‐‐‐属于被动控制方法，该方法采用对叶尖区域局部的改动，改变叶尖间隙流动特性，从而减少叶尖间隙泄漏流损失，提升涡轮转子效率。本文采用数值模拟方法，计算分析了3类18种叶尖处理构型，第一类为A类普通叶尖即光滑叶尖（模型A1）和叶尖凹槽（模型A2）;第二类为B类即在凹槽中添加肋条，即弯曲肋条（模型A3）、1个直肋条（模型A4）、2个直肋条（模型A5）、3个直肋条（模型A6）;第三类为普通叶尖和叶尖肋条分别与叶尖小翼的组合形式，其中B1‐B6表示模型的叶尖小翼为2mm，C1–C6表示模型的叶尖小翼为3mm。对不同叶尖处理构型的涡轮转子流场进行数值计算，获得了叶尖处理构型的间隙流动特性，以及对涡轮转子效率的影响。模拟结果表明：模型A6、模型B4和模型C2,这三种叶尖处理构型的转子模型其落压比最高，输出功率最大，转子效率提升幅度最大。其次模型B1和模型C3这两种叶尖处理构型也可以提升转子效率，但效率提升幅度较小。虽然模型A2和模型A3的转子落压比较大，但这两种模型的间隙泄漏产生的损失较大导致对应的输出功率和转子效率降低。其余叶尖处理构型的转子模型对应的落压比，输出功率和效率均不同程度的低于A1模型。

关键词：涡轮转子叶尖间隙泄漏流叶尖肋条叶尖小翼

叶尖小翼对风力机叶片气动性能影响的数值研究

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电力科学与工程 2020年第12期36卷 58-67页

作者：聂小棋葛文澎李军向刘丹明阳智慧能源集团股份公司广东中山528400

对某2.0 WM机型叶片进行叶尖小翼应用的气动特性研究,对比分析了不同叶尖小翼设计方案对风轮推力和轴端功率的影响。对带叶尖小翼的叶片W4设计方案,进一步探究了风轮的推力和功率输出,同时对比研究了有无叶尖小翼叶片叶尖区域的表面压... 详细信息

对某2.0 WM机型叶片进行叶尖小翼应用的气动特性研究,对比分析了不同叶尖小翼设计方案对风轮推力和轴端功率的影响。对带叶尖小翼的叶片W4设计方案,进一步探究了风轮的推力和功率输出,同时对比研究了有无叶尖小翼叶片叶尖区域的表面压力分布、迹线和速度矢量分布情况。结果表明:所设计的8种叶尖小翼方案均能提高风轮的轴端功率输出,增量范围在1.6%~2.3%,同时风轮承受推力也会不同程度增加。不同的翼尖扭角和弯曲半径设置对叶尖小翼的气动性能有一定的影响。叶尖小翼朝向吸力面弯曲比朝向压力面弯曲具有更好的气动特性,风轮输出功率更高,带叶尖小翼的叶片方案W8对应最高的平均风轮轴向功率提升2.25%。

关键词：叶尖小翼风力机气动性能扭角弯曲半径弯曲方向

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叶尖小翼对风力机气动性能的影响分析

分布式能源 2019年第2期4卷 47-52页

作者：陶维翔大唐新疆清洁能源有限公司新疆乌鲁木齐830001

叶片作为风能捕获装置,其气动性能决定着风力机的风能利用效率。为有效提升风力机在低风速条件下的风能捕获能力,借鉴飞机在机翼翼尖添加小翼提升气动性能的设计理念,对风力机叶片叶尖添加后掠L型叶尖小翼,并采用标准的k-ε湍流模型对... 详细信息

叶片作为风能捕获装置,其气动性能决定着风力机的风能利用效率。为有效提升风力机在低风速条件下的风能捕获能力,借鉴飞机在机翼翼尖添加小翼提升气动性能的设计理念,对风力机叶片叶尖添加后掠L型叶尖小翼,并采用标准的k-ε湍流模型对加装小翼叶片和原型叶片在不同风速条件下进行3维流场的数值模拟研究。结果表明:与原型叶片相比,后掠L型叶尖小翼对通过叶尖区域的气流有导流作用,改善了叶尖气流的流动形态,使通过叶尖的气流变得平缓流畅,有效减小了叶尖处的诱导阻力,阻断了叶尖处吸力面的气流分离,减小了叶尖涡;叶尖小翼改变了叶尖区域的压力分布,加大了叶尖部位上下压力面的压差,提升了0.975～0.99倍叶片长度处的叶片转矩,风力机出力变大;加装后掠L型小翼后,风力机的轴向推力增加0.46%～0.81%,增幅较小,而风力机组发电效率提升约3.4%～4.2%,增幅明显。

关键词：风力机叶尖小翼流场分析气动性能

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叶尖小翼对风轮结构动态性能的影响研究

内蒙古工业大学学报（自然科学版） 2011年第3期30卷 323-327页

作者：汪建文闫建校刘博赵志渊内蒙古工业大学能动学院呼和浩特010051 风能太阳能利用技术教育部省部共建重点实验室呼和浩特010051 中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院呼和浩特010010

风力机叶片叶尖增加小翼,在一定范围内可以提高风轮的输出功率,提高功率系数,但是小翼引起了风轮结构动态性能的改变。本文采用试验模态分析的方法研究了叶尖小翼对静止风轮结构动态特性的影响,采用谱分析法分析了加速度传感器测得的风... 详细信息

风力机叶片叶尖增加小翼,在一定范围内可以提高风轮的输出功率,提高功率系数,但是小翼引起了风轮结构动态性能的改变。本文采用试验模态分析的方法研究了叶尖小翼对静止风轮结构动态特性的影响,采用谱分析法分析了加速度传感器测得的风力机机头振动谱,得到风轮的动频,应用动频曲线研究了叶尖小翼对风轮动频的影响。实验表明,叶尖小翼虽然降低了风轮静频但通过增大离心力和气动力提高了动频。叶尖小翼明显改变了动频曲线的走向,可以通过叶尖小翼改善旋转风轮的结构动态特性。

关键词：风力机叶尖小翼结构动态特性动频

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叶尖小翼结构对涡轮叶片强度的影响研究

现代机械 2021年第1期 42-45页

作者：陈奕宏李维中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002

对某型高压涡轮第一级的转子叶尖进行叶尖小翼结构造型,并在级环境下对原始叶片和造型叶片进行定常数值模拟和有限元分析,分析对比了叶尖小翼结构对叶片强度的影响。结果表明:通过对涡轮叶尖进行叶尖小翼处理,涡轮叶尖小翼对叶身的应力... 详细信息

对某型高压涡轮第一级的转子叶尖进行叶尖小翼结构造型,并在级环境下对原始叶片和造型叶片进行定常数值模拟和有限元分析,分析对比了叶尖小翼结构对叶片强度的影响。结果表明:通过对涡轮叶尖进行叶尖小翼处理,涡轮叶尖小翼对叶身的应力分布规律无明显影响,但是会使叶尖处的高应力区沿叶尖小翼结构延伸至叶顶平面,叶片应力会有一定程度增加。

关键词：数值模拟叶尖小翼强度分析

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风电机组叶尖小翼提效技术综述

风能 2015年第3期 72-75页

作者：时文刚中国大唐集团新能源股份有限公司

我国风电产业发展迅速,风电装机容量持续增长,但是在产业发展过程中不可避免地出现了一些问题。例如,在产业起步阶段安装的风电机组,受当时设计和制造技术水平限制、受当时风能资源开发市场的激烈竞争以及风电机组及部件市场供不应求等... 详细信息

我国风电产业发展迅速,风电装机容量持续增长,但是在产业发展过程中不可避免地出现了一些问题。例如,在产业起步阶段安装的风电机组,受当时设计和制造技术水平限制、受当时风能资源开发市场的激烈竞争以及风电机组及部件市场供不应求等情况影响,一些风电场在风电机组选型、微观选址与风电场设计等方面存在一定程度的偏差。经过几年的运行,这些风电场逐步暴露出风电机组发电能力不足、设备可靠性不高与可利用率偏低等现象。因此,针对这

关键词：风电机组尖速比风能利用叶尖小翼功率系数提效