小型风力机风轮气动特性和叶片振动特性关联性研究

The off-grid small wind machines widely used in areas without electricity, in the cyty life and in the industrial production has become a trend. However, there are two key technical constraints in the universal using of the small horizontal axis wind turbine.One Problem is that the aerodynamic performance of the wind wheel is low,the self-developed high-performance new wing and blade are less and only less research can be able to achieve industrialization.Another problem is that the accidents of the blade fracture and the fatigue damage caused by the vibration of the blade are frequent and the service periods of many wind turbines are much shorter than thier design lives.In view of the two deficiencies above, the subject intends to design 1 or 2 high-performance dedicated airfoil and blade by collecting the aerodynamic data of the foreign advanced airfoils, and verify the reliability of the design by the experiment.On this basis, intend to reveal the related rules of the vibration of the blade and the aerodynamics characteristic of the wind wheel by studying their relevance.Relevant research results can provided a new method of the design and improvement of new airfoil and new airfoil blade.At the same time, the main causes and the trigger mechanism of the vibration of the blade triggered by the aerodynamic performance of the wind wheel chould be found.

离网小型水平轴风力机在无电地区的广泛应用和其在城市生活、工业生产中的多用途化应用已成为趋势。然而，小型风力机在普及使用中存在着关键的技术制约，主要有以下两个方面：1、风轮气动性能低、出力小，自主开发的高气动性能新翼型和新翼型叶片少，能够实现产业化的更少；2、由于振动而导致的叶片断裂和疲劳损伤事故频发，风力机普遍服役期远短于设计寿命。针对我国风能行业在以上两个问题中存在的不足，本申请课题拟收集国外先进翼型气动数据，通过结构改进开发1～2种适用于风力机的高性能专用翼型，并利用实验验证设计的可靠性。在此基础上，拟开展风轮气动特性参数与叶片振动特性参数关联性研究，以揭示叶片振动与风轮气动特性的关联规律。相关研究成果，可为风力机新翼型及新翼型叶片的开发、设计提供新的方法，同时可揭示由于风轮气动性能触发叶片振动的主要原因和机理。

本项目首先探索小型风力机专用新翼型的改进和选型工作。通过收集、筛选国外翼型气动数据，进行了叶片、风轮的流场特性分析，针对设计风轮应用大涡模拟方法进行流场特性的数值研究和PIV测试研究，获得风轮叶片周围的速度场、涡量场等参数。设计、改进了三种适合与小型风力机叶片的新翼型，与传统叶片对比后发现：新翼型不仅可以具有良好空气动力性能，同时还可以改善叶片承受交变载荷的能力。.进行气动特性参数与叶片振动特性参数关联性研究。在保证气动性能的同时控制风轮的振动，提出三种风轮结构动力学性能改进方法，在风轮实际挂机安装条件下进行模态测试。研究发现：翼型加厚可有效提升风轮前三阶固有频率15%以上，但却会使风轮共振带拓宽；双夹板式叶片连接方式可使风轮1阶固有频率明显下降，2、3阶固有频率显著升高，亦会使风轮共振带拓宽；沿叶展方向开槽和加肋对风轮前三阶固有频率提升相对较小，对各阶反对称振动频率的提升效果较同阶对称振动频率提升效果显著，且不会造成风轮共振带的拓宽；翼型加厚和双夹板式叶片连接方式可实现风轮前三阶振动阻尼比呈均匀稳定的下降；沿叶展方向开槽和加肋虽使风轮1阶反对称振动阻尼比增大，随振动阶数升高，阻尼比一直下降。.采用流固耦合分析原理进行模态数值模拟及风力机实际运行状态下的试验验证。发现：低阶轴向窜动效应振动的触发源于塔架弹性，气动载荷和离心力对该类振动频率的变化基本没有影响；陀螺效应振动的触发源于同一时刻不同叶片表面气动压力的不对称，气动载荷中的周向力是导致该类振动频率发生变化的主要原因，轴向力则对其振动频率的变化没有影响，离心力对该类振动频率的变化影响不大，且近似成线性。.采用无线遥测技术，对风力机叶片运行状态中的应变特性进行了实验研究，结果表明：在相同尖速比下，叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小，随着风速的增加，压力面的应变值增加幅度大于吸力面，叶根处应变大于叶尖，并在0.55R到0.75R段应变拟合曲线略微凸起，主要是气动力在该截面区作用的效果；在相同风速下，叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小，且各截面的应变值随着尖速比增加而增大，叶根较叶尖增加幅值更明显，叶根部位所受离心力增加较快；相同翼面处前缘点的应变值大于后缘点的应变值，各截面沿着展向向外位置增加应变值递减。.相关研究成果，为分析风力机发生叶根损伤和断裂、变速箱齿轮严重磨损等的问题提供新的分析思路和