水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)失諧影響的研究.pdf

1、近年來(lái)，作為清潔能源的風(fēng)能得到了快速發(fā)展。然而作為主要吸收風(fēng)能的部件，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行成為關(guān)注重點(diǎn)。至今，風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能分析都是基于協(xié)調(diào)風(fēng)輪系統(tǒng)。然而，實(shí)際上由于材料、加工制造和安裝誤差、運(yùn)行磨損以及污染或者由于陣風(fēng)、來(lái)流不均勻和非軸向等因素，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失諧和氣動(dòng)失諧，本文主要開(kāi)展了包括風(fēng)切變和偏航在內(nèi)的氣動(dòng)失諧方面的相關(guān)工作。目前，CFD以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在翼型分析和設(shè)計(jì)、葉片和風(fēng)

2、力機(jī)氣動(dòng)性能分析方面獲得了廣泛應(yīng)用。本文以兩葉片NREL Phase VI和三葉片Tjaereborg水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了軸向均勻來(lái)流條件下的氣動(dòng)特性模擬，并和實(shí)驗(yàn)值比較，分析了其中影響計(jì)算精度的因素。在此基礎(chǔ)上，模擬了風(fēng)切變和偏航風(fēng)速條件下的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪氣動(dòng)失諧特性和偏航條件下風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪流固耦合特性。
　　軸向均勻來(lái)流風(fēng)速條件下，以Tjaereborg風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，探討定常數(shù)值模擬結(jié)果的處理方法和網(wǎng)格數(shù)目對(duì)數(shù)值結(jié)果的

3、影響，結(jié)果顯示:選用滑移網(wǎng)格法;并將葉片分段，對(duì)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(shí)間步長(zhǎng)，縮短計(jì)算時(shí)間。以NRELPhase VI風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，研究有無(wú)機(jī)艙在軸向均勻來(lái)流風(fēng)速條件下的氣動(dòng)特性，可以看出:有無(wú)機(jī)艙壓力系數(shù)分布差別不大，均與實(shí)驗(yàn)值吻合較好;有無(wú)機(jī)艙切向力系數(shù)和法向力系數(shù)在葉片根部氣動(dòng)性能有了較大變化，而在葉片中上部變化不大;有無(wú)機(jī)艙對(duì)流動(dòng)分離和旋渦結(jié)構(gòu)影響集中在葉片根部

4、范圍，對(duì)主流區(qū)影響不大。
　　風(fēng)切變條件下，以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)和Tjaereborg風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，分析了不同風(fēng)速廓線指數(shù)和展向位置處風(fēng)切變的影響規(guī)律及影響機(jī)理，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示:切變風(fēng)速使得風(fēng)力機(jī)性能、載荷和流動(dòng)參數(shù)波動(dòng)振幅增大，波動(dòng)波幅隨風(fēng)速廓線指數(shù)的增大和展向位置靠近葉尖而增加，能較準(zhǔn)確地反映氣動(dòng)功率的降低，風(fēng)切變條件下的氣動(dòng)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(fēng)速同時(shí)引起尾跡速度虧損的空間不對(duì)稱趨于不明顯。
　　偏航風(fēng)速條件下，以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)和Tjaereborg風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，分析了不同偏航角條件下偏航的影響規(guī)律及機(jī)理。結(jié)果顯示:偏航風(fēng)速非定常運(yùn)行過(guò)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(guān);方位角和偏航角不同時(shí)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(duì)稱隨偏航角的增大

6、更加敏感。
　　偏航風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪流固耦合的模擬，以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，比較7m/s軸向均勻來(lái)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(lái)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(gè)方向的變形均呈現(xiàn)出一階振動(dòng)形態(tài)，從葉根到葉尖逐漸增大，其中，揮舞變形最為顯著;應(yīng)力主要集中在中葉展附近，沿弦向應(yīng)力主要集中在最大厚度位置附近。偏航風(fēng)速下流固耦合的影響:風(fēng)輪

7、載荷和葉片變形呈周期性震蕩，但耦合作用對(duì)風(fēng)輪整體載荷及其振幅影響較小;耦合作用使內(nèi)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，葉片載荷極值方位角與風(fēng)速極值方位角不對(duì)應(yīng)。
　　綜上所述，本文所研究的二種風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型，從軸向均勻風(fēng)速條件下的定常流動(dòng)到切變和偏航風(fēng)速條件下氣動(dòng)失諧的非定常流動(dòng)，再到更為復(fù)雜的流固耦合綜合作用，層層遞進(jìn)，逐漸接近真實(shí)物理模型。研究結(jié)果將為采用CFD數(shù)值方法進(jìn)行