【摘要】：海上垂直軸風(fēng)力機(jī)受浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的影響,氣動(dòng)載荷非常復(fù)雜,討論浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響尤為重要。本文分析葉片數(shù)量、翼型、形狀和風(fēng)輪實(shí)度對(duì)風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的影響,確定最佳風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù);討論塔柱與浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的影響。采用基于葉素動(dòng)量理論的雙致動(dòng)盤多流管模型計(jì)算風(fēng)機(jī)功率系數(shù),運(yùn)用CFD方法研究風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性,并與理論結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明:塔柱對(duì)風(fēng)機(jī)功率的影響在大尖速比時(shí)更為明顯;基礎(chǔ)的垂蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)影響風(fēng)機(jī)的功率系數(shù),不同尖速比的影響結(jié)果不同;尖速比增大,不同垂蕩周期的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)影響差別逐漸顯現(xiàn)。
【圖文】：

證明了穩(wěn)定狀態(tài)的流場(chǎng)變化具有周期性，尾流區(qū)域隨風(fēng)流動(dòng)逐漸變窄，流場(chǎng)分布與風(fēng)機(jī)相位角有關(guān)［9］。Mohamed等對(duì)比分析了CFD求解格式對(duì)不同網(wǎng)格劃分軟件的適用條件，并對(duì)不同翼型的H型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行了比較［10］。Bedon等對(duì)三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)在縱傾條件下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究［11］。本文綜合采用雙盤面多流管理論和CFD數(shù)值模擬方法，研究了Spar型浮式基礎(chǔ)支撐的2.6MW－Φ型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷特性，分析了浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。1浮式風(fēng)力機(jī)形式及參數(shù)本文采用的浮式風(fēng)力機(jī)形式如圖1所示。風(fēng)力機(jī)安裝在桁架式Spar型浮式基礎(chǔ)之上，葉片帶動(dòng)塔柱在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過安裝在基礎(chǔ)艙室內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與發(fā)電裝置將塔柱旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，上部風(fēng)力機(jī)和下部浮式基礎(chǔ)的具體參數(shù)如表1和表2所示。2風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷的理論計(jì)算方法2.1雙致動(dòng)盤多流管理論Strickland在單流管模型的基礎(chǔ)上提出多流管模型，假定各個(gè)流管之間互不影響。這一理論更加全面可靠，但計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。Paraschivoiu在多流管模型的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，提出雙致動(dòng)盤多流管模型，將流管分為上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)兩部分。圖1浮式風(fēng)力機(jī)示意圖Fig．1Diagramoffloatingwindturbine表1風(fēng)力機(jī)參數(shù)Table1Parametersofwindturbine項(xiàng)目數(shù)值額定轉(zhuǎn)速/(r·min－1)12.0額定風(fēng)速/(m·s－1)15.0葉片弦長(zhǎng)/m3.5風(fēng)輪高/m72.0風(fēng)輪直徑/m74.0塔柱直徑/m3.0葉片截面翼型NACA0018葉片線型拋物線表2浮式基礎(chǔ)參數(shù)Table2Parametersoffloatingfoundationm項(xiàng)目數(shù)值總吃水43.0上部浮力艙直徑12.0上部浮力艙高度10.0主動(dòng)壓載艙直徑20.0主動(dòng)壓載艙高度6.0垂蕩板邊長(zhǎng)6.0桁架直徑1.2桁架高度31.0混凝?

率系數(shù)。2.2計(jì)算結(jié)果及分析采用雙致動(dòng)盤多流管理論，，利用Matlab軟件編程，計(jì)算風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能。利用循環(huán)迭代求解，流程如下:當(dāng)給定轉(zhuǎn)子幾何型線、來流速度以及轉(zhuǎn)速時(shí)，假定干擾因子初值為1，可得到局部尖速比，雷諾數(shù)等條件。根據(jù)已知翼型參數(shù)CL和CD進(jìn)行差值得到新值，可求得CN和CT，再根據(jù)上風(fēng)函數(shù)得到干擾因子新值，如此循環(huán)迭代，直到兩次得到的干擾因子相差不到10－4即循環(huán)結(jié)束［12］。由干擾因子可求誘導(dǎo)速度，進(jìn)而得到葉片受力情況。變換不同的風(fēng)速和轉(zhuǎn)速，得到一系列功率系數(shù)曲線，如圖2所示。圖2不同速度下的功率系數(shù)曲線Fig．2Powercoefficientcurvesatdifferentspeeds由圖2可以看出，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)功率系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，不同風(fēng)速條件下的最大功率系數(shù)不變，但所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增加而增加;當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，功率系數(shù)隨風(fēng)速的增加先增大后減小，不同轉(zhuǎn)速條件下的最大功率系數(shù)保持不變，但所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。給定尖速比定義如下λ=ωＲ/V∞式中:ω為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，Ｒ為風(fēng)機(jī)赤道截面半徑，V∞為赤道截面無窮遠(yuǎn)處來流風(fēng)速。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制CP-λ曲線，如圖3所示。綜合以上兩種情況，當(dāng)風(fēng)力機(jī)模型參數(shù)確定時(shí)，功率系數(shù)變化僅與尖速比λ有關(guān)。圖3CP-λ曲線Fig．3CP-λcurve圖3表明，風(fēng)機(jī)額定工況下功率系數(shù)CP為0.354，最大功率系數(shù)為0.46，對(duì)應(yīng)最佳尖速比為5.4，適應(yīng)尖速比最大為10.7。根據(jù)不同風(fēng)速條件下的CP值可以求得風(fēng)力機(jī)對(duì)應(yīng)的功率P，繪制功率－風(fēng)速曲線，如圖4所示。圖4風(fēng)機(jī)功率曲線與CP曲線Fig．4CurvespowerofwindturbineandCP以下依次改變?nèi)~片數(shù)量n、葉片截面翼型、風(fēng)輪實(shí)度δ和葉片形狀，分別計(jì)算風(fēng)機(jī)功率系
【作者單位】： 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;滄州市華油飛達(dá)石油裝備有限公司;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579176)
【分類號(hào)】：TM315

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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

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9 朱

本文編號(hào)：2520162