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SimScale的风力涡轮机叶片设计优化

发布时间2019-11-04人气:71

风力涡轮机叶片设计优化

在19世纪,大型涡轮驱动的发电机被化石燃料驱动的发动机取代,以满足工业需求和经济需求。与此相伴的是实施全国分布的电力网络,您猜想它是在化石燃料上运行的。但是,当全球能源需求和气候变化开始侵蚀社会需求时,在21世纪初出现了对风能的回归。更好地了解空气动力学和材料(尤其是聚合物)的进步也有助于这一点。在本文中,我们将讨论如何再次优化风力涡轮机设计,尤其是风力涡轮机叶片设计,但是这次是借助在线仿真。 

从风力发电到电力的风力涡轮机叶片设计实例 通过风力涡轮机叶片设计如何利用风能的可视化

风力涡轮机:优点和缺点

如今,大多数风力涡轮机被设计为可发电的,实际上被认为是世界上增长最快的能源之一。风力涡轮机的优势包括但不限于成本效益,作为清洁燃料的来源,可持续性以及将这些机制构建在现有土地上的能力,例如农场或牧场(在某些情况下,他们甚至被放置在海上作为海上风电场!)。

海上风电场风电叶片设计实例 海上风电场

但是,由于高风地区通常偏远并且远离需要电力的地区,因此风力发电也具有挑战性。为了实施,风能仍需要在成本基础上与化石燃料竞争,并且在某些情况下,风能被认为不是特定土地上最有利可图的用途。随之而来的是,风力涡轮机叶片的设计可能会伤害当地的野生动植物(例如鸟类)。由于这些原因,优化风力涡轮机设计以减轻这些挑战比以往任何时候都更为重要。

风力发电机设计

具有水平安装且平行于地面的轴的涡轮机称为水平轴风力涡轮机或HAWT。大多数HAWT具有两叶或三叶旋转螺旋桨。垂直轴风力涡轮机(VAWT)的轴垂直于地面。不管是水平定向还是垂直定向,风力涡轮机叶片都将风能转换为可用的轴功率,称为转矩。这是通过在风在叶片上移动时使风减速来从风中获取能量而产生的。使风减速的力与使叶片旋转的推力式提升力相等并且相反。优化涡轮机并由此增加风力发电的关键在于风力涡轮机叶片设计。

风力涡轮机叶片设计

风力涡轮机叶片以其弯曲形状产生升力。弯曲最大的一侧产生的空气压力较低,而与此同时,叶片形翼型另一侧受力作用下的高压空气。最终结果是垂直于涡轮叶片上方的空气流动的提升力。这里的诀窍是设计转子叶片,以使其产生适量的转子叶片升力和推力,从而产生最佳的空气减速效果,从而提高叶片效率。

如果涡轮机的叶片旋转太慢,则有太多的风会不受干扰地通过,因此它无法获得尽可能多的能量。另一方面,如果螺旋桨叶片旋转太快,它将像大的扁平旋转盘一样作用在风中,从而产生大量的阻力,但作用相同但相反。

实际风机叶片的风机设计优化。在公路上运输的风力涡轮机叶片

最佳叶尖速度比(TSR)定义为转子叶尖速度与传入风速之比,取决于转子叶片形状轮廓,涡轮叶片的数量以及风力涡轮机螺旋桨叶片设计本身。那么,哪种叶片形状和设计最适合风力涡轮机叶片?

通常,风力涡轮机叶片被成形为以最小的建造成本从风产生最大的功率。但是,风力涡轮机叶片制造商一直在寻求开发更高效的叶片设计。风力涡轮机叶片设计的不断改进产生了新的风力涡轮机设计,该设计更紧凑,更安静,并且能够通过更少的风力产生更多的功率。它相信,通过稍微弯曲涡轮机叶片,它们能够捕获更多的5%至10%的风能,并在风速通常较低的地区更高效地运行。

详细介绍了现代风力涡轮机叶片的空气动力学设计原理,包括叶片平面形状/数量,机翼选择和最佳迎角。可以使用在线风力涡轮机模拟器工具进一步优化和测试这些设计。

如何使用风力涡轮机模拟器工具优化风力涡轮机叶片设计

那么,如何优化风力涡轮机叶片设计呢?哪种形状可以帮助您产生最大的净能量?为了确定风力涡轮机设计的类型,形状,大小等,工程师需要测试会在现实世界中波动的不同环境因素,例如风速和温度。这可以通过SimScale等在线平台通过在线计算流体动力学(CFD)仿真来完成。评估通常集中在风力涡轮机叶片设计和不同设计迭代的测试上。例如,扁平叶片是当今仍然使用的最古老的风力涡轮机叶片设计,但是,由于在向上冲程期间风向叶片自身推回,旋转能力降低,扁平叶片变得不那么受欢迎。

然而,与其他风力涡轮机叶片设计相比,扁平叶片更易于设计。它们的生产成本更低,叶片形状和尺寸一致性更易于复制,并且所需的专家知识更少。对于扁平的风轮机叶片设计,仍然可以通过在线仿真和评估设计迭代来进行优化;从测试不同的材料(通过FEA模拟)到各种长度和宽度,这些都与一定的季节或适用环境相对应。使用SimScale,我们的许多用户可以在不同的风速下模拟他们的风力涡轮机设计,以优化其设计。

风力发电机模拟器:SimScale

使用SimScale的风力涡轮机模拟器使用计算流体动力学,用户可以通过复制此公共项目并将其用作模板来优化其风力涡轮机叶片设计,甚至可以从头开始使用他们自己的涡轮机设计。

使用simscale制作的风力涡轮机模拟器cad和网格准备图像在使用在线风力涡轮模拟器(例如SimScale)模拟风力涡轮机设计之前,先进行CAD模型和网格准备

在此示例项目中,模拟了水平轴风力涡轮机(HAWT)周围的气流以及作用在转子上的合力。通过一些有关如何运行仿真以及获得的结果的说明,该项目演示了如何使用SimScale评估任何大小或形状的风力涡轮机设计。

风力发电机模拟器使用simscale后处理图像SimScale的风力发电机模拟器后处理图像



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