【摘要】：隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,作為可再生能源發(fā)電技術最為成熟、最具有開發(fā)潛力的風力發(fā)電技術,在世界各地得到了長足的發(fā)展,風力發(fā)電成本逐年降低,然而風力發(fā)電的成本依然是阻礙風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。為了提高風力機的捕風效率,進而降低風力發(fā)電成本,有必要對風力機組進行優(yōu)化設計。風力機葉片是風力機中最重要的關鍵部件之一,風力機葉片性能的好壞決定著風力機的捕風能力及運行壽命。目前國內外學者對風力機葉片優(yōu)化方法進行了廣泛研究,現(xiàn)有葉片優(yōu)化方法已經(jīng)趨于成熟,如單純對風力機葉片的翼型參數(shù)優(yōu)化對于風力機的捕風能力提高效果已經(jīng)不明顯,有必要采用新的翼型結構來提高風力機的捕風能力。在眾多的結構改造方法之中,風力機尾緣添加分離式尾緣襟翼效果最為明顯,該方法不但可以改善風力機的氣動性能,提高其捕風能力,還可對風力機的功率及載荷進行適當?shù)恼{節(jié)和控制,能有效的提高低風速時的捕風能力并降低高風速時風力機的載荷,在風頻變化較快時還可以起到輔助變槳作用,在提高風力機年發(fā)電量的同時,降低了風力機的運行維護成本并延長了風力機的使用壽命。因此,對于帶分離式尾緣襟翼的風力機翼型氣動性能分析及優(yōu)化研究具有重要的意義。本文在認真研讀國內外相關研究文獻資料的基礎上,以水平軸風力機葉片作為研究對象,對帶分離式尾緣襟翼的二維風力機翼型及帶分離式尾緣襟翼的三維風力機葉片氣動性能及優(yōu)化方法進行了深入系統(tǒng)的研究,主要研究工作包括:(1)風力機空氣動力計算及優(yōu)化設計理論。深入研究并推導了改進的BEM理論、三維旋轉效應模型及各種修正模型,研究了復合材料歐拉梁理論并在此基礎上建立了歐拉梁理論與改進的BEM理論耦合模型;研究了計算流體力學中的SST k-?模型。(2)二維帶分離式尾緣襟翼風力機翼型氣動性能分析。以翼型S809為研究對象,建立了翼型S809分離式尾緣襟翼系列模型,采用SST k-?模型對添加尾緣襟翼的風力機翼型氣動性能進行數(shù)值計算及對比分析,比較了不同的襟翼長度、不同襟翼偏轉角度以及不同襟翼縫隙大小對風力機翼型氣動性能的影響。初步確定了襟翼長度、襟翼偏轉角度、襟翼縫隙大小對風力機二維翼型氣動性能的影響規(guī)律。(3)基于支持向量機數(shù)據(jù)挖掘技術的襟翼參數(shù)優(yōu)化研究。基于以上帶襟翼風力機翼型氣動性能數(shù)據(jù),采用支持向量機數(shù)據(jù)挖掘技術建立襟翼參數(shù)與翼型氣動性能之間的函數(shù)關系,將離散的氣動性能數(shù)值計算數(shù)據(jù)轉化為連續(xù)數(shù)值。分別建立翼型升阻力系數(shù)與襟翼偏轉角度、襟翼長度、攻角之間的函數(shù)關系,并建立以升力系數(shù)和升阻比加權平均值最大的襟翼參數(shù)優(yōu)化目標函數(shù),采用群智能優(yōu)化算法中的粒子群優(yōu)化方法對翼型襟翼參數(shù)進行優(yōu)化,得到翼型氣動性能最優(yōu)的襟翼參數(shù)及其對應的翼型氣動性能,為三維帶襟翼風力機葉片的優(yōu)化設計奠定了基礎。(4)三維帶襟翼風力機氣動性能分析�；谇耙徽麓_定的翼型最優(yōu)襟翼參數(shù),建立PhaseVI帶襟翼的幾何模型,采用CFD方法對其進行氣動性能計算,同時采用改進的BEM理論對其進行氣動性能計算并比較,結果表明CFD方法及改進的BEM理論均可對帶襟翼的風力機進行氣動性能計算分析,與實驗值具有相同的變化趨勢,誤差也在允許范圍內。采用CFD優(yōu)點可以更進一步研究流場的細節(jié),而改進的BEM理論可以迅速計算出風力機氣動性能,占用的計算資源較少。帶襟翼風力機葉片與不帶襟翼風力機葉片比較可看出帶襟翼的風力機捕風能力明顯增強,尤其是低風速情況下,風力機的啟動風速也由之前的5m/s降為3m/s,使風力機適用風速范圍更寬,從而提高年發(fā)電量。(5)帶襟翼的風力機葉片設計及優(yōu)化研究。研究了風力機葉片的常用設計方法,采用改進的BEM理論方法對600kW定速定槳型風力機進行設計并與原風力機葉片進行比較,證明了設計方法的合理性及可靠性,在此基礎上建立了年發(fā)電量最大和度電成本最低組合優(yōu)化模型,采用量子行為的粒子群算法對其進行優(yōu)化,結果表明權重取0.5時,優(yōu)化結果比原葉片的年發(fā)電量大且度電成本有所降低。在此基礎上對600kW定速定槳帶襟翼風力機進行設計和優(yōu)化,結果表明帶襟翼的風力機低風速的捕風能力大大提高,額定風速也有所降低,年發(fā)電量提高了10%,度電成本降低了5%。進而對1.5MW變速變槳風力機進行帶襟翼葉片的設計及優(yōu)化,進一步驗證了尾緣襟翼在一定風速范圍內同樣可以提高變槳變速風力機捕風能力,不過其提高的幅度沒有在定速定槳風力機上效果明顯。通過定速定槳及變速變槳兩類風力機葉片的優(yōu)化設計表明,帶襟翼風力機可以提高低風速時風力機的捕風能力,并可降低高風速時風力機的載荷,從而延長風力機的使用壽命。
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【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK83

【參考文獻】

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本文編號：2449361