【摘要】：能源短缺和能源轉(zhuǎn)型促進(jìn)了可再生能源快速發(fā)展。風(fēng)電作為當(dāng)前最具規(guī)�；玫那鍧嵖稍偕茉窗l(fā)電方式,具有良好的發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,存在不同部件繞多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。例如,在偏航動(dòng)態(tài)過(guò)程中,風(fēng)輪存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面繞偏航軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。展向截面翼型攻角會(huì)不斷變化,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組總體性能也發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,呈現(xiàn)為復(fù)雜的三維非定常特性。又如海上風(fēng)電機(jī)組存在平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。此時(shí),風(fēng)輪除了旋轉(zhuǎn)、偏航,還隨平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng),其氣動(dòng)特性變化更為復(fù)雜。分析和認(rèn)識(shí)風(fēng)輪在這些動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氣動(dòng)載荷變化規(guī)律,對(duì)提高機(jī)組的設(shè)計(jì)水平,優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的控制策略,具有重要的意義。傳統(tǒng)的BEM方法和渦尾跡方法無(wú)法精細(xì)捕捉的流場(chǎng)三維流動(dòng)細(xì)節(jié)。基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的耦合計(jì)算存在計(jì)算成本過(guò)高的問(wèn)題。為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)非定常氣動(dòng)性能和繞流特性,建立了基于多軸角運(yùn)動(dòng)模擬的數(shù)值模擬方法。以NRELPhaseVI風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象,研究了定偏航角下下和動(dòng)態(tài)過(guò)程中的流動(dòng)變化規(guī)律,通過(guò)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)量葉素理論的方法進(jìn)行結(jié)果對(duì)比確認(rèn),驗(yàn)證和確認(rèn)該方法的合理性。研究了不同偏航角度對(duì)風(fēng)輪總體性能、周向和展向氣動(dòng)載荷、流動(dòng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),定偏航角下,隨著偏航角的增加,葉片載荷出現(xiàn)周向波動(dòng)更大,且尾跡出現(xiàn)偏斜;偏航動(dòng)態(tài)過(guò)程中,葉片載荷周向波動(dòng)加大,尾跡比定偏航角下出現(xiàn)一定程度的擴(kuò)張。通過(guò)上述對(duì)比驗(yàn)證和確認(rèn),建立了基于多軸角運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法。以NREL5MW風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象,研究了大型機(jī)組在定偏航角下和不同啟停時(shí)間的偏航動(dòng)態(tài)過(guò)程中的氣動(dòng)載荷和繞流場(chǎng)細(xì)節(jié)。對(duì)五種不同的定偏航角下和兩種不同啟停變化過(guò)程的偏航動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),定偏航角下,隨著偏航角的增加,風(fēng)輪的迎風(fēng)側(cè)的截面攻角增大,氣動(dòng)載荷的幅值更大,且周向的波動(dòng)幅值隨之增加,順風(fēng)側(cè)變化規(guī)律相反。在偏航動(dòng)態(tài)過(guò)程中,功率和截面氣動(dòng)載荷的波動(dòng)程度增加。2s時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)到恒轉(zhuǎn)速偏航的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的氣動(dòng)載荷比4s啟停動(dòng)態(tài)過(guò)程中的氣動(dòng)載荷幅值更高。且在一定偏航過(guò)程中,正向偏航過(guò)程的葉片扭矩幅值比反向偏航更高。展向截面載荷波動(dòng)特性由于受到偏航動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)速度的影響,載荷最大幅值和波動(dòng)程度比定偏航角下偏高。以NREL5MW風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象,分別采用四種正弦變化規(guī)律的角運(yùn)動(dòng)模型,研究了不同振幅和頻率的平臺(tái)縱搖和橫搖對(duì)機(jī)組的氣動(dòng)特性和繞流場(chǎng)細(xì)節(jié)的影響。研究發(fā)現(xiàn),在平臺(tái)縱搖晃動(dòng)軸和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸兩軸耦合下,振幅和頻率的增加都會(huì)導(dǎo)致功率和載荷波動(dòng)增加,流動(dòng)更加復(fù)雜,且展向截面載荷特性和總體性能變化規(guī)律均與平臺(tái)縱搖的角速度變化規(guī)律一致。在平臺(tái)橫搖晃動(dòng)軸和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸兩軸耦合下,風(fēng)輪載荷呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì),推力和功率的變化規(guī)律與平臺(tái)橫搖角速度變化規(guī)律一致。隨著振幅的增高,平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)使尾跡邊界出現(xiàn)交替擺動(dòng)。綜上,在本論文中,提出了基于多軸角運(yùn)動(dòng)模擬的風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中非定常氣動(dòng)特性的研究方法。研究了均勻風(fēng)速下,定偏航角下單旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng),再到更為復(fù)雜的多旋轉(zhuǎn)軸耦合運(yùn)動(dòng),包括偏航動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)平臺(tái)橫搖、動(dòng)態(tài)平臺(tái)縱搖。研究結(jié)果為深入認(rèn)識(shí)風(fēng)電機(jī)組偏航過(guò)程的氣動(dòng)特性機(jī)理以及海上風(fēng)電機(jī)組存在平臺(tái)耦合運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)特性機(jī)理,保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行,提供了理論支持。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM315
【圖文】：

圖１－４水平軸風(fēng)電機(jī)纟Ｕ的風(fēng)輪尺寸變化Ｍｌ逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｇｒｏｗｔｈ邋ｉｎ邋ｓｉｚｅ邋（ａｎｄ邋ｐｏｗｅｒ）邋ｏｆ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ａｘｉｓ邋ｗｉｎｄ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋（ＨＡＷ邋Ｉ邋）逡逑第二，風(fēng)電機(jī)組無(wú)論是失速調(diào)節(jié)，亦或變槳調(diào)節(jié)，不可避免地運(yùn)行在動(dòng)態(tài)失逡逑

１．３．２平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的研究現(xiàn)狀逡逑海上風(fēng)電機(jī)組（Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ，ＯＦＷＴ）按支撐平臺(tái)類(lèi)型分為中淺海域逡逑固定式和深海漂浮式［２｜６］，見(jiàn)圖１－９，關(guān)于基座結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分類(lèi)可參考文獻(xiàn)綜述逡逑［２１７］。基座結(jié)構(gòu)的不同對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生也引起風(fēng)逡逑電機(jī)組運(yùn)行的多軸耦合運(yùn)動(dòng)，包含平臺(tái)縱搖（兩軸）、平臺(tái)橫搖（兩軸）、平臺(tái)艏搖逡逑（兩軸）以及平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程，下面就平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)氣動(dòng)載荷和尾跡兩方面現(xiàn)狀做簡(jiǎn)要逡逑介紹。逡逑ｎ￣ＩＴｉ￣＾邐＾邐？r-：聲逡逑ｍ邐＾邋（／ｋ）邐白逡逑ＶＶＶＶ＾ｒＶＶ邋Ｖ邋Ｖ邋Ｖ邋ＶＶＶＶ邋ＶＶ逡逑＇＇４逡逑圖１－９多種固定和漂浮支撐結(jié)構(gòu)ｉ２１７ｌ逡逑Ｆｉｇ．邋１－９邋Ｍｏｓｔ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｇｒｏｕｎｄｅｄ邋ａｎｄ邋ｆｌｏａｔｉｎｇ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ逡逑漂浮平臺(tái)的６自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)，使得ＯＦＷＴ的氣動(dòng)載荷比陸上機(jī)組更為不逡逑穩(wěn)定，受到學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。Ｂａｙａｔｉ＾９８］采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了邋１／７５縮比型逡逑１６逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2715161