水平軸風力機氣動失諧影響的研究.pdf

1、近年來，作為清潔能源的風能得到了快速發(fā)展。然而作為主要吸收風能的部件，風力機風輪在實際運行過程中會遇到各種各樣的問題，風力發(fā)電機組的安全運行成為關注重點。至今，風力機的設計和性能分析都是基于協(xié)調風輪系統(tǒng)。然而，實際上由于材料、加工制造和安裝誤差、運行磨損以及污染或者由于陣風、來流不均勻和非軸向等因素，會產生結構失諧和氣動失諧，本文主要開展了包括風切變和偏航在內的氣動失諧方面的相關工作。目前，CFD以其獨特的優(yōu)勢在翼型分析和設計、葉片和風

2、力機氣動性能分析方面獲得了廣泛應用。本文以兩葉片NREL Phase VI和三葉片Tjaereborg水平軸風力機為研究對象，進行了軸向均勻來流條件下的氣動特性模擬，并和實驗值比較，分析了其中影響計算精度的因素。在此基礎上，模擬了風切變和偏航風速條件下的風力機風輪氣動失諧特性和偏航條件下風力機風輪流固耦合特性。
　　軸向均勻來流風速條件下，以Tjaereborg風力機為研究對象，探討定常數(shù)值模擬結果的處理方法和網(wǎng)格數(shù)目對數(shù)值結果的

3、影響，結果顯示:選用滑移網(wǎng)格法;并將葉片分段，對不同段給予不同網(wǎng)格數(shù);選用合適的初始網(wǎng)格密度和合理的CFL數(shù)，可以減少網(wǎng)格數(shù)目，增大時間步長，縮短計算時間。以NRELPhase VI風力機為研究對象，研究有無機艙在軸向均勻來流風速條件下的氣動特性，可以看出:有無機艙壓力系數(shù)分布差別不大，均與實驗值吻合較好;有無機艙切向力系數(shù)和法向力系數(shù)在葉片根部氣動性能有了較大變化，而在葉片中上部變化不大;有無機艙對流動分離和旋渦結構影響集中在葉片根部

4、范圍，對主流區(qū)影響不大。
　　風切變條件下，以NREL Phase VI風力機和Tjaereborg風力機為研究對象，分析了不同風速廓線指數(shù)和展向位置處風切變的影響規(guī)律及影響機理，并與實驗值進行了對比分析。結果顯示:切變風速使得風力機性能、載荷和流動參數(shù)波動振幅增大，波動波幅隨風速廓線指數(shù)的增大和展向位置靠近葉尖而增加，能較準確地反映氣動功率的降低，風切變條件下的氣動功率、推力和扭矩等總體性能參數(shù)呈現(xiàn)周期性的變化;尾跡是不斷膨脹的

5、，隨著尾跡距離的增大切變風速同時引起尾跡速度虧損的空間不對稱趨于不明顯。
　　偏航風速條件下，以NREL Phase VI風力機和Tjaereborg風力機為研究對象，分析了不同偏航角條件下偏航的影響規(guī)律及機理。結果顯示:偏航風速非定常運行過程中具有明顯的周期性;隨著偏航角的增大扭矩在減小，減少量和偏航角有關;方位角和偏航角不同時分離情況有很大差異;隨葉片展向位置的升高，越靠近葉尖受到偏航影響越小;尾跡的偏斜和不對稱隨偏航角的增大

6、更加敏感。
　　偏航風速下風力機風輪流固耦合的模擬，以NREL Phase VI風力機為研究對象，比較7m/s軸向均勻來流和7m/s偏航角30°條件下雙向流固耦合的特性，得出:軸向均勻來流條件下流固耦合的性能參數(shù)快速周期性震蕩至穩(wěn)定值;葉片在揮舞、擺振和展向三個方向的變形均呈現(xiàn)出一階振動形態(tài)，從葉根到葉尖逐漸增大，其中，揮舞變形最為顯著;應力主要集中在中葉展附近，沿弦向應力主要集中在最大厚度位置附近。偏航風速下流固耦合的影響:風輪

7、載荷和葉片變形呈周期性震蕩，但耦合作用對風輪整體載荷及其振幅影響較小;耦合作用使內葉展扭角減小，載荷增加;外葉展扭角增大，載荷減小，從而減小了軸向載荷極值;風輪旋轉平面內，葉片載荷極值方位角與風速極值方位角不對應。
　　綜上所述，本文所研究的二種風力機風輪模型，從軸向均勻風速條件下的定常流動到切變和偏航風速條件下氣動失諧的非定常流動，再到更為復雜的流固耦合綜合作用，層層遞進，逐漸接近真實物理模型。研究結果將為采用CFD數(shù)值方法進行