磨蝕對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響研究.pdf

1、風(fēng)能由于潔凈可再生的特點，近年來得到了快速發(fā)展。目前世界裝機(jī)容量已超過486.7GW，且在未來10年全球?qū)掷m(xù)增大。逐漸增加的風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量，為了追求高風(fēng)能利用效率，受風(fēng)能資源和建設(shè)選址的制約，迫使大量風(fēng)電場向人煙稀少的近?；騼?nèi)陸荒漠地區(qū)發(fā)展，常受到颶風(fēng)、暴雨、冰雹、沙塵暴、鹽漬等的沖擊與侵蝕，伴隨高的葉尖旋轉(zhuǎn)速度，很容易造成葉片表面的磨蝕。前緣磨蝕問題是許多風(fēng)電企業(yè)運行中難以克服的關(guān)鍵問題，對風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定都帶

2、來不利影響，在風(fēng)電企業(yè)運行管理和維護(hù)方案制定中必須加以考慮。但是，目前關(guān)于磨蝕對風(fēng)力機(jī)影響機(jī)理的認(rèn)識還很有限，缺乏對磨蝕引起的翼型和葉片流場結(jié)構(gòu)變化及氣動載荷的定量研究。因此，本文圍繞不同類型、不同程度磨蝕對風(fēng)輪氣動載荷的影響進(jìn)行研究，旨在獲得磨蝕對風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響規(guī)律，為風(fēng)電企業(yè)的運行管理、葉片維護(hù)、高效發(fā)電和安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)，為不同磨蝕程度風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率預(yù)估提供指導(dǎo)。
　　本文的主要研究內(nèi)容與成果包括：
　　采

3、用CFD方法，系統(tǒng)分析了不同程度的凹槽磨蝕、點蝕、剝蝕對S809翼型繞流流場結(jié)構(gòu)、壓力系數(shù)和氣動性能的影響，得出了不同磨蝕類型中磨蝕參數(shù)變化對翼型氣動性能和流場結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)凹槽磨蝕深度/厚度的比值超過0.5時，隨著磨蝕深度的增加翼型氣動性能基本保持不變；對于點蝕模型，當(dāng)點蝕深度超過0.5mm后翼型升阻比變化較小，點蝕各特征參數(shù)對翼型氣動性能影響的次序為點蝕密度>點蝕深度>點蝕面積>點蝕位置；對于剝蝕模型，1％c的剝蝕長度對

4、翼型流場結(jié)構(gòu)和氣動性能影響最大，隨著剝蝕長度的增加，翼型尾緣分離區(qū)尺度逐漸減小，翼型的氣動力系數(shù)反而增大，但隨著剝蝕厚度的增加，翼型的氣動力系數(shù)下降。
　　對傳統(tǒng)的BEM模型進(jìn)行了修正，采用修正的BEM模型和二維磨蝕翼型的CFD氣動力數(shù)據(jù)，對NREL PhaseⅥ風(fēng)力機(jī)在葉片前緣均勻剝蝕、均勻點蝕和均勻槽蝕時風(fēng)輪氣動力變化的物理作用機(jī)理和變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)闡述，得出了磨蝕參數(shù)變化時引起的葉片各斷面軸向誘導(dǎo)因子、切向誘導(dǎo)因子、法向力

5、系數(shù)和切向力的變化，以及對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM、推力系數(shù)CT、輸出功率與推力的影響規(guī)律；通過量綱分析法建立了剝蝕、點蝕和槽蝕的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值試驗標(biāo)定了所建模型的磨蝕系數(shù)，得到了磨蝕系數(shù)標(biāo)定圖，通過在標(biāo)定圖中查取磨蝕系數(shù)并采用所建立的磨蝕模型可快速計算不同磨蝕程度時風(fēng)輪氣動載荷變化量；通過比較葉片前緣均勻剝蝕、點蝕和槽蝕對風(fēng)輪氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)了其影響程度為槽蝕＞剝蝕＞點蝕。
　　通過將葉片劃分為10個區(qū)域研究每個區(qū)域局部發(fā)生磨

6、蝕時對風(fēng)輪氣動載荷的影響，結(jié)果表明當(dāng)磨蝕分別發(fā)生在葉片外側(cè)0.7R～1.0R、葉片中部0.4R～0.6R及葉片內(nèi)側(cè)0～0.4R時，所引起的損失約占葉片前緣整體剝蝕所引起損失的60%、30%和10%。據(jù)此進(jìn)一步將葉片劃分為內(nèi)側(cè)（Ⅰ區(qū)）、中部（Ⅱ區(qū)）和外側(cè)（Ⅲ區(qū)）三個區(qū)域進(jìn)行局部磨蝕影響效應(yīng)研究，結(jié)果表明所有磨蝕類型下Ⅰ區(qū)發(fā)生局部磨蝕對風(fēng)輪氣動載荷的影響較?。粚τ诰植縿兾g和槽蝕而言，Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)剝蝕對風(fēng)輪氣動載荷影響同等重要；對于局部點蝕而言

7、，Ⅲ區(qū)點蝕對風(fēng)輪氣動載荷影響大于Ⅱ區(qū)。通過計算Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)發(fā)生剝蝕、點蝕、槽蝕時對風(fēng)力機(jī)功率和推力影響的權(quán)重因子i?、?i，采用分配權(quán)重的方法建立了完整的剝蝕、點蝕和槽蝕數(shù)學(xué)模型，并對不同磨蝕程度下的權(quán)重因子進(jìn)行了標(biāo)定，根據(jù)磨蝕系數(shù)、權(quán)重系數(shù)和磨蝕模型可計算不同磨蝕位置、磨蝕程度對風(fēng)輪氣動載荷的影響，通過葉片前緣非均勻磨蝕算例驗證了所建磨蝕模型的可靠性。
　　基于小波分析理論研究了陣風(fēng)和湍流來流對風(fēng)輪氣動性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種來

8、流條件下風(fēng)輪氣動載荷波動的極大值均為極小值的2倍左右，與平均量相比，陣風(fēng)引起的氣動載荷波幅要大于湍流；隨著平均風(fēng)速的增大，來流中湍動能TKE和相干湍動能CTKE幅值增高，推力系數(shù)CT和功率系數(shù)CP的波動增加，氣動載荷的極值交替頻率增加；葉片非均勻磨蝕引起的風(fēng)輪功率系數(shù)變幅遠(yuǎn)大于葉片均勻剝蝕，非均勻磨蝕時功率系數(shù)最大變幅可達(dá)99%，而均勻磨蝕時功率系數(shù)最大變幅為42.2%。
　　通過CFD方法模擬了均勻來流、切變來流和極端運行陣風(fēng)條

9、件下葉片前緣磨蝕對風(fēng)力機(jī)三維流場結(jié)構(gòu)及氣動載荷的影響，結(jié)果表明在均勻來流條件下，隨著葉片前緣磨蝕程度的增大，流動分離點前移，葉片失速區(qū)擴(kuò)大；與光滑葉片相比，磨蝕導(dǎo)致葉片吸力面壓力的峰值明顯下降，葉片整體壓差減??；風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和推力均隨磨蝕程度的增大而減小，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)輪氣動載荷減小的幅度先增大后減小。切變來流條件下，葉根處風(fēng)輪氣動性能受方位角變化影響較小，而在葉尖位置，當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至最高點時前緣磨蝕對功率損失的影響增大，但隨著風(fēng)速的增大