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所长基金重点培育项目“符合中国风资源特点的高效大型风电叶片关键技术研究”简介(下)
发稿时间:2013-10-11         作者:杨科          来源:国家能源风电叶片研发(实验)中心     【字号:

  上期对所长基金重点培育项目“符合中国风资源特点的高效大型风电叶片关键技术研究”项目的研究背景、研究内容及技术路线进行了简要介绍,本期就项目的研究队伍、研究进展及下阶段工作重点等情况做一介绍。 

  风能利用方向是研究所“一三五”和“创新2020”规划中的重要方向,所长基金项目“符合中国风资源特点的高效大型风电叶片关键技术研究”由国家能源风电叶片研发(实验)中心具体组织实施,执行期为201211月至201510月,项目团队共计29人,其中高级职称5人(包括1名研究员,副研究员4人),中级职称5人,初级职称2人。项目负责人为杨科副研究员,现任国家能源风电叶片研发(实验)中心副主任,能源行业风电标准化技术委员会委员,中国可再生能源委员会风能专业委员会委员,中科院战略新兴产业领域专家,在风力发电领域具有丰富的研究经验。 

  下面主要从三个方面介绍本年度研究进展。 

  一、高性能风力机翼型族设计技术研究 

  1、确定翼型族设计原则与设计指标 

  在已有的CAS-W1系列翼型及国外常用的风力机专用翼型族的基础上,确定新系列翼型设计原则和设计指标,薄翼型(15%30%翼型厚度)应具有更高雷诺数的具有低载、高效、宽广工作范围,翼型需满足在一定范围雷诺数内(600万至1000万),均具有较平缓的失速特性、粗糙度不敏感特性。 

  大厚度翼型(35%-60%翼型厚度)应具有以下特征: 

  (l)气动目标:尽可能大的最大升力系数、高的设计升力系数,和缓的失速特性,随Re变化时性能的稳定性;由于厚翼型对粗糙不敏感性较低,设计时不作为主要设计目标和设计约束。 

  (2)几何结构目标:依次设计出相对厚度为45%50%55%60%四组翼型;为了保证良好的几何结构兼容性,使其最大相对厚度位置在30%c(弦长)到35%c之间,钝尾缘厚度依次在7%c9%c11%c12%c 

  2、风力机翼型优化设计方法研究 

  风力机翼型性能参数众多,其空气动力学与结构特性在求解的过程中往往相互抵触。例如:高升阻比与大的叶型厚度,高的最大升力与前缘粗糙度,设计点的高升阻比与大范围非设计点的性能。考虑到神经网络算法具有信息分布式处理和并行协同处理的能力以及遗传算法的全局寻优能力。项目组正在开展将遗传算法和神经网络模型相结合构建神经网络优化设计平台的研究,从而进行多目标、多工况下大厚度、钝尾缘、低噪声翼型设计。目前初步建立了考虑翼型变工况性能和非设计点性能的设计评估体系。 

  3、大厚度钝尾缘翼型研究设计 

  完成了45%50%55%60%四组翼型设计,该翼型族具有良好的几何结构兼容性。它们的最大升阻比高于同类型或者初始翼型的最大升阻比,在很大的攻角范围内具有较高且变化平缓的升力系数。符合叶片根部对翼型气动性能的基本需求。更为重要的是,四种大厚度钝尾缘翼型的气动性能均具有良好的Re稳定性,符合日益变长的叶片运行工况要求。需要说明的是,以上气动结果均为Rfoil的预测结果,需要进一步的实验证实。同时由于叶片根部表面不易受破坏,切三维流动效应可以弥补叶片表面污染的气动性能损失。所以大厚度钝尾缘叶片的设计中,粗糙表面气动稳定性不作为主要设计目标。 

  二、风电场耦合优化设计技术研究 

  1、平坦地形下单台风力机尾流模拟研究 

  l)考虑弦径比、速度比、雷诺数和经验修正因子影响因素,改进传统旋转延迟失速模型,应用于所开发的致动面尾流模型。 

  (2)考虑叶尖压力平衡和轮毂气动特性,改进传统叶尖损失和整机轮毂损失模型,应用于所开发的致动面尾流模型。 

  (3)考虑二维翼型流动及叶轮能量吸收机理,开发致动面尾流模型关键的展向参考点获取方法,以获得对应翼型相对风速和入流角,进而在叶片平面内有效施加不连续压力场。 

  (4)采用开发的高效致动面尾流模型,开展了典型工况下风力机功率、轴向力、推力系数及切向力系数计算,经与美国可再生实验室(NREL)风洞实验结果比较,效果较好;开展了叶片尾流速度场研究,获得了不同风况下尾流进化规律。 

  2、风力机优化布置研究 

  l)通过与国外知名学者的研究结果的对比分析,充分证明了粒子群优化算法(PSO)在风力机优化布置问题中的可行性与有效性。 

  (2)基于基本PSO算法进行了风力机优化布置问题的应用研究,讨论分析了平坦地形条件下风速大小、风向、风速风频分布、地表粗糙度等因素对于风力机布置方案的影响。 

  (3) 通过将风力机坐标增加到优化设计变量中,利用罚函数法来处理风力机最小间距的约束限制,实现了风力机优化布置问题的无网格建模,并证明无网格PSO算法在风力机优化布置问题中的有效性与优越性。 

  (4)开发了二进制编码的粒子群优化算法,有效解决不规则风场区域的风力机优化布置问题。 

  (5) 采用创建的自适应约束粒子群风力机优化布置技术,有效提高收风能利用效率,并应用提高三峡集团响水风电场年发电量近10%,节约成本近5000万元。 

  三、大型及超大型风电叶片设计方法研究 

  针对大型及超大型风电叶片设计体系,从气动、结构、噪声三个方面开展了模型研究。 

  l)在气动方面,研究并发展了基于Proper Orthogonal DecompositionPOD)方法的降阶模型研究,该模型在保持一定计算精度的条件下,大幅度减少了模拟计算量。同时,考虑到CFD模型尾流计算存在数值耗散性且需要耗费巨大的计算资源,而通常的BEM模型需要依赖大量的经验修正,因此通过加入涡核模型消去奇性,建立自由尾涡强耦合条件下的非定常升力线模型和粘性无粘耦合模型,保证计算效率,减少经验修正模型引入的误差,提高尾涡分析能力。 

  (2)在结构方面,针对风力机叶片铺层设计过程中多目标、多约束的特点,将改进的单目标粒子群算法同小生境技术结合,建立了一种改进的多目标粒子群算法。计算结果表明,该算法具有较强的多目标寻优能力,可以作为风力机叶片铺层的优化设计工具。同时,对于复合材料叶片结构,开展了全尺寸有限元(FEM)建模研究,并进行了静强度、屈曲(稳定性)、疲劳等方面的结构分析。 

  (3)在噪声方面,开展风电叶片的噪声分析和建模工作,完成了叶片风场噪声的实测工作,为降噪研究奠定基础。 

  目前本项目整体上较好地完成了阶段目标,各项工作进展顺利,经费落实情况较好,项目涉及到的需要研制和采购的平台及设备正在稳步推进。通过所长基金的支持,研究人员在风电叶片方面的研究水平、设计方法和研究手段得到了提升,以上工作为国家能源风电叶片研发(实验)中心完成国内领先、国际一流的风电叶片研发成果提供了良好地支持。 

  2013年,项目组重点开展以下研究工作: 

  l)开展高效低载风力机专用设计技术研究,大厚度翼型减阻降噪技术研究,变工况条件下雷诺数与粗糙度敏感性对翼型特性影响因素研究,大攻角下翼型气动力的测量方法及其修正方法的研究; 

  (2)开展平坦地形下多台风力机尾流叠加规律研究;开展东南沿海热带气旋风资源数据整理分析研究;开展复杂风况条件下风资源评估研究; 

  (3)构建叶片气弹模型;开展噪声预测的数值模拟;开展流动控制数值模拟研究及试验研究; 

  (4)采购三分量测力天平一台;研制完成翼型风洞试验模型及装卡具;完成100kW风力机实验平台研制; 

  (5)购置并调试完成能对50以上风电叶片开展试验的液压双轴疲劳测试设备。 

    

 
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