叶尖小翼对水平轴风力机气动性能与结构特性的影响

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3.0 赵德峰 2024-11-11 5 4 17.63MB 69 页 15积分

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叶尖小翼对水平轴风力机

气动性能与结构特性的影响

摘要

本文以 5MW 水平轴风力机为研究对象，对风力机进行了气动特性和结构动

力特性的数值研究分析。论文主要工作为：

1. 基于叶素动量理论，采用威尔森方法对叶片进行设计，得到叶片沿展向扭

角和翼型弦长数据，设计了 5MW 水平轴风力机叶片。这种方法具有一定

的通用性。

2. 完成了对叶尖无小翼、L型小翼和 T型小翼的 5MW 水平轴风力机叶片实体

建模。对无小翼、L型小翼和 T型小翼叶片进行模态分析，得到了三种叶

片的固有频率和振型等结构特性，对各阶模态结果进行对比分析，得到

了L型小翼对叶片模态特性的影响。结果证明：叶尖加小翼后虽然使叶片

结构特性发生改变，但叶片固有频率仍不会与风湍流激励频率及风轮转

动频率相重合，不会发生共振。

3. 在15m/s 和30m/s 风速下，对叶尖无小翼、L型小翼和 T型小翼的三种风轮

流场进行了数值模拟。得到了风轮叶片压力分布和叶片展向位置各截面压

力分布，分析比较其气动特性，得到叶尖加 L型小翼后对风力机气动性

能的改善。结果表明：叶尖加 L型小翼可以提高风能利用系数，增加风力

机输出功率。

4. 对L型叶尖小翼的水平轴风力机进行结构强度分析。将流场计算得到的 L

型小翼风力机的气动力作为输入数据，得出风力机叶片等效应力和应力

强度的分布特点。根据最大切应力理论，L型小翼叶片满足结构强度要求。

5. 对预应力作用下的 L型小翼风力机进行模态分析，得到其各阶模态参数，

为更进一步的深入分析风力机整机结构特性提供参考依据。

关键词：水平轴风力机叶尖小翼结构特性气动性能

ABSTRACT

In this thesis, the research works on 5MW horizontal axis wind turbine, and investigates

the aerodynamic characteristics and structural dynamic characteristics of 5MW wind

turbine in numerical method. The studies mainly consist of the following aspects:

1. The article is based on the BEM thorem and use wilson method to obtain the twisting

angle and the chord length, and designs the blade of 5MW horizontal axis wind turbine.

This method has a certain universality.

2. complete the modeling of the blade of 5MW horizontal axis wind turbine with no tip

vane, L tip vane and T tip vane. Conduct modal analysis for the blade of wind turbine

with no tip vane, L tip vane and T tip vane. Ensure the structural characteristics of the

blade, such as various order modal shape, various order frequency and so on. Compare

the results of each order modal analysis to obtain the impact of L tip vane of the blade to

modal analysis. The results show that though tip vane modifies the structual

characteristics of the blade, the vibration frequency of the blade doesn’t agree to

incentive frequency of wind turbulence and rotational frequency of rotor. Resonance

will not occur.

3. Simulate three-dimensional flow field of wind turbine with no tip vane, L tip vane

and T tip vane in the condition of 15m/s and 30m/s wind speed. Obtain distribution of

aerodynamic force of blade, distribution of pressure of each section. Then analyse and

compare aerodynamic characteristics to realize the improvement of aerodynamic

performance of wind turbine with L tip vane. The results show that L tip vane increases

and the output power of wind turbine.

4. Simulate structural strength characteristics of horizontal axis wind turbine with L tip

vane. Import aerodynamic force calculated in the flow field to geometic model, obtain

distribution of equivalent stress and stress intensity. According to the theory of

maximum shear stress, we can obtain that the blade with L tip vane can satisfy the

requirement of structure strength.

5. Conduct modal analysis for wind turbine with L tip vane in the condition of prestress.

Ensure various order modal parameters to provide a reference for further study of

structural characteristics of wind turbine.

Keywords: HAWT, Tip vane, Structure characteristics, Aerodynamic

performance

目  录
摘  要I
ABSTRACT II
第一章 绪 论1
1.1 研究背景 1
1.2 带小翼风力机研究现状 2
1.2.1
国内研究状况
2
1.2.2
国外研究状况
4
1.3 主要工作 4
第二章 风力机叶片气动设计理论 6
2.1 贝兹理论 6
2.2 叶素理论 7
2.3 动量理论 9
2.4 叶素动量理论 11
2.5 本章小结 15
第三章 风力机叶片设计与叶尖小翼设计 16
3.1 风力机叶片设计 16
3.2 叶尖 L型小翼 24
3.3 本章小结 26
第四章 风力机建模及叶片模态分析 27
4.1 叶片与风力机整机建模 27
4.1.1
确定叶片三维数据
27
4.1.2
叶片实体建模
27
4.1.3
风力机整机建模
29
4.2 叶片模态分析 29
4.2.1
模态分析原理
30
4.2.2
叶片模态计算结果及分析
30
4.3 本章小结 35
第五章 风力机气动性能分析 36
5.1 CFD 数值模拟 36
5.1.1
基本控制方程
36
5.1.2 CFD
物理模型
37
5.1.3
数学模型与计算方法
37
5.1.4
流场求解设置
38
5.1.5
计算工况
38
5.2 计算结果与分析 38
5.2.1
风力机整体性能
38
5.2.2
不同来流风速下不同叶片表面压力分布
40
5.2.3
不同叶展方向叶片截面压力分布
43
5.3 本章小结 49

第六章 基于流固耦合方法的风力机结构特性分析 51
6.1 流固耦合理论 51
6.2 风力机单向流固耦合计算与结果分析 52
6.3 风力机整机模态分析 60
6.4 本章小结 65
第七章 结论及展望 66
7.1 结论 66
7.2 展望 67
参考文献 68

第一章绪论

1.1 研究背景

能源与环境问题是现今人类生存和发展所需要解决的紧迫问题。随着我国经

济持续高速发展，能源需求与日剧增。然而，化石能源的全球性紧张和不稳定的

国际环境，使得我国能源安全问题愈加突出。因此，过分依赖化石能源、以火电为

主的能源结构现状必须得到改变[1]。积极发展风能等可再生能源，这既能迎合国家

能源之实际需求，又能有助于优化能源结构、保证国家能源安全。2012年10月24日

国务院讨论通过的《能源发展“十二五”规划》，其中明确指出我国“十二五”期

间能源发展目标为：“构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系”，并重点

阐述了新能源有序发展的国家战略。这些均再次肯定了发展新能源的地位与重要

性[2]。

风能是一种洁净无污染的可再生能源，具有很大的竞争力和广阔的开发利用

前景。风能资源蕴藏量特别巨大，据世界气象组织和中国气象局最新风能资源评

价数据，地球可利用风能资源达200亿kW，是可利用水能的20倍。中国陆地10米

高度风能资源可开发量约为2.53亿kW，50米高度风能资源可开发量约为28.3亿

kW，海上约为2亿kW[3]。

我国风力发电虽然起步较晚，但进展较快。在20世纪50年代，我国曾掀起过

风能利用的高潮，并在新疆、吉林、辽宁等地建设了单机容量在10kW以下的小型

风电场，然而之后却处于停滞状态。在20世纪70年代初的世界能源危机影响下，

我国，作为世界能源消耗大国，又重新开始重视对风能的利用，重新兴起了对风

电技术的开发，重点以微型、小型和中型机组为主，提供我国广大农、牧、边远、高

山与沿海岛屿等地的抽水灌溉发电之用[4]。

近10年间，我国风电产业得到了长足发展。据国家电力监管委员会数据，尽

管2012年风电装机容量有所放缓，但风电新增装机和发电量增长率均超过30%，

风电已超过核能成为继火电、水电等能源之后的第三大发电能源[2]。

为满足经济高速增长对电力供应的需求，我国加大了风电项目的建设力度。

“十五”期间，我国并网风电得到了快速的发展，全国风电总装机容量达126 万

kW，居世界第十位，亚洲第三位，成为世界发展风力发电的主要市场之一。到

2012 年全国风电总装机容量已达到7600 万kW，连续两年居世界第一，成为继火

电、水电之后的第三大发电能源[3]。随着风电技术的不断完善与发展，陆上风电装

机容量渐趋饱和，海上风电已成为近年来国际风电产业发展的新领域，以便利用

更强、更持久的风力资源。

风力机已成为人类建造的最大旋转动力机械，亦是最大的机械设备，4.5MW

风力机叶轮直径已超过空客 A380，5MW 风力机叶轮直径约 120 米。近年来，国

内企业 3MW 以下机组已经实现批量化生产，5MW 机组已成功并网运行，6MW

机组也已成功吊装。华锐风电已申请到国家能源局中央预算内投资项目“10MW

级超大型海上风电机组研制及示范”，该项目将建造全球首台功率等级最大的

10MW 级超大型海上风电机组，并于江苏沿海装机示范。根据欧盟资助项目

UpWind 最新报告，20MW 风力机的开发具有可行性，预计 2020 年风轮直径达

200 米的20MW 风力机将投入使用[3]。

叶尖小翼对水平轴风力机气动性能与结构特性的影响

按2020 年可再生能源在电网覆盖范围内的发电量达到总发电量 3%的要求，

中国的风电装机容量将会突破1亿kW。国家发改委能源研究所新近发布的《中国

风电发展路线图 2050》报告显示：到 2020 年、2030 年和2050 年，中国风电装机容

量将分别达到2亿、4亿和10 亿kW，成为中国的五大能源之一。到 2050 年，风电

将满足国内 17%的电力需求。“十二五”规划中特别强调了电网输配能力与风电

建设的协调发展。同时，智能电网的建设将更有利于风电的并网，届时，我国将

拥有更多具有自主知识产权的知名品牌，其技术标准和运行质量将达到国外同类

产品的指标要求，完全满足国内风场资源特征及市场需求，并形成不同规格系列

化产品。最终实现产品价格、风电场初始投资的较大幅度下降，使风力发电成本逐

步能与常规发电方式相竞争[3]。

综上所述，现在风力机正朝着大型化和由陆地向海洋两个主要趋势发展。这

两种发展趋势的共同特征是风力机结构尺寸的大型化。大型化虽可提高风力机功

率，增加气动收益（风能利用率），但由此带来的尺寸效应也愈发明显。由于叶

轮尺寸的增大，使叶片的柔性与几何非线性增加，叶片结构强度降低。在气动载

荷作用下叶片易产生变形，轻则减弱控制系统效能，重则可导致叶片结构失效甚

至断裂。因此有必要对大型风力机叶片进行气动及结构特性分析，为大尺寸风力

机提供设计参考依据。

1.2 带小翼风力机研究现状

当风力机受风轮直径和风场限制时，通过在叶片叶尖处安装小翼，可以实现

在不增加风力机扫略面积的情况下，提高风力机的输出功率。

叶尖小翼能加大风力机叶片压力面与吸力面间的压力差，这能有效减少风力

机叶尖处的端部漩涡，以降低叶尖损失，从而提高风力机的输出功率与运行效率。

1.2.1 国内研究状况

文献[5]比较了叶尖有无小翼的风力机气动性能，证实了叶尖小翼所起的积极

作用。同时研究指出，叶尖小翼的偏航角及安装角越大，其对风力机输出功率的

放大效果将越差。

文献[6]通过研究带有叶尖小翼的风力机周围流场特性，证实了叶尖小翼对风

力机输出功率的提高能起到切实效果。同时该研究得出了小翼的形状及其主要结

构参数对提高风力机输出功率的影响规律。

文献[7]利用大涡模拟方法，并结合滑移网格技术，对带有 S型叶尖小翼的三

叶片水平轴风力机流场特性进行了数值研究，并与不带小翼的风力机气动性能进

行对比。结果表明：加装S型小翼能改善风轮上游的速度及压力分布情况，从而

既增加了风力机输出功率，又降低了风力机的气动噪声。

文献[8]通过在风力机叶尖添加V型平板小翼以提高风力机的输出功率。通过

风洞实验，比较了带有不同小翼的风力机发电量。结果表明：相比于无小翼风力

机，带 V型叶尖小翼的风力机发电量最大，其功率提高最明显。

文献[9]利用计算流体力学方法对基于分裂叶尖布局的概念型水平轴风力机的

气动特性进行了数值模拟。该研究表明：分裂叶尖小翼之间的合理布置，对大风

速下风力机叶片表面的流动分离能起到一定的抑制作用，从而有利于改善中、大

风速下风力机的整体性能。

文献[10]采用威尔森方法设计了 100W 小型风力机，并进行了风力机加小翼

的动力放大特性实验研究，证实了小翼确实在某一特定范围内能起到动力放大的

作用，并在高风速下对风力机输出功率具有限制作用。

第一章绪论

文献[11]在风洞开口试验段利用二维粒子图像测速(简称 PIV)技术，对带有 V

型叶尖小翼的风力机周围流场进行了实验研究，比较了加与不加小翼时的流场图

结果表明：加装叶尖小翼后，叶尖部分的流场得到明显改善。

文献[12]使用平板V型小翼，利用正交试验法确定了对风力机功率系数放大

效果最优的小翼，并利用 PIV 技术，对风力机叶尖安装小翼后的绕流及其尾流流

场进行了测量。研究结果显示：叶尖小翼对叶尖到叶片之间的流场影响

较大，而对叶根到叶片之间的流场影响非常小。

文献[13]研究了风力机叶尖小翼对风轮固有频率的影响，实验表明：叶尖小

翼虽然降低了风轮静频，但会因离心力和气动力的增加而提高风轮的动频；叶尖

小翼有助于改善旋转风轮的结构动态特性。

文献[14]对风力机叶片表面及其附近的压力分布进行了数值研究，获得了小

翼对风力机叶片表面压力分布的影响特点，这为进一步研究叶尖小翼对风力机动

力放大的机理起到积极作用。

文献[15]利用数值模拟技术，探索性地研究了风力机三维旋转流场的特性，

获得了叶尖小翼对风力机尾流区的影响特点。

1.2.2 国外研究状况

1976 年，Van Holten[16]首次提出了在水平轴风力机叶片尖部加小翼来增加风

力机输出功率的想法。

Van Bussel 等[17]对带有叶尖小翼的水平轴风力机进行了研究，然而这些研究

大多都停留在实验研究的基础上。

Aero Vironment 公司[18]提出了 Aero Vironment 型叶尖小翼，这种小翼被应用

于水平轴风力机，它成功地提高了风力机输出功率。

Shimizu[19-21]在水平轴风力机的叶尖安装了平板型小翼，对叶尖小翼的离心力

与叶轮性能之间的关系进行了研究，探讨了叶尖小翼附近流动特征；测试了水平

轴风力机叶尖翼翼面上的速度分布、压力分布；成功地开发了一种新型叶尖小翼

即Mie 型小翼，并将Mie 型小翼（mie vane）应用于独立式30kW/10kW 的风/柴

发电系统上，它使风力机的动力增大了 10%～20%。

Chui Chi Arakawa 等[22]利用数值模拟方法研究了叶尖加小翼对风力机气动噪

声的影响特点。

Shimooka Masakazu 等[23]使用大涡模拟方法，对具有叶尖小翼风力机的气动

噪声和气动性能进行了数值研究。

丹麦 Risø National Laboratory 实验室对叶尖加装小翼的风力机动力输出特性

进行了 CFD 模拟研究，结果表明，叶尖小翼能提高风力机的功率输出[24]。

Mads Dossing[25]开发了一种新型小翼，并利用涡流栅格仿真方法对叶尖小翼

的各项性能参数进行了计算与分析，研究结果表明：叶尖小翼的几何参数对风力

机气动性能有显著的影响。

综上所述，迄今为止，关于叶尖小翼对风力机气动性能改善的研究主要停留

在试验和数值模拟的手段，且研究对象主要以小功率风力机为主。但叶尖小翼对

风力机结构动力特性的改变、叶尖小翼对大功率风力机气动性能的影响等方面，

在国内相关文献上鲜有报道。

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摘要：

叶尖小翼对水平轴风力机气动性能与结构特性的影响摘要本文以5MW水平轴风力机为研究对象，对风力机进行了气动特性和结构动力特性的数值研究分析。论文主要工作为：1.基于叶素动量理论，采用威尔森方法对叶片进行设计，得到叶片沿展向扭角和翼型弦长数据，设计了5MW水平轴风力机叶片。这种方法具有一定的通用性。2.完成了对叶尖无小翼、L型小翼和T型小翼的5MW水平轴风力机叶片实体建模。对无小翼、L型小翼和T型小翼叶片进行模态分析，得到了三种叶片的固有频率和振型等结构特性，对各阶模态结果进行对比分析，得到了L型小翼对叶片模态特性的影响。结果证明：叶尖加小翼后虽然使叶片结构特性发生改变，但叶片固有频率仍不会与风湍...

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