【摘要】：能源短缺和能源轉(zhuǎn)型促進了可再生能源快速發(fā)展。風電作為當前最具規(guī)�；玫那鍧嵖稍偕茉窗l(fā)電方式,具有良好的發(fā)展前景和研究價值。風電機組在運行過程中,存在不同部件繞多個旋轉(zhuǎn)軸同時旋轉(zhuǎn)的運動。例如,在偏航動態(tài)過程中,風輪存在旋轉(zhuǎn)運動,同時風輪的旋轉(zhuǎn)平面繞偏航軸進行旋轉(zhuǎn)。展向截面翼型攻角會不斷變化,導致風電機組總體性能也發(fā)生動態(tài)變化,呈現(xiàn)為復雜的三維非定常特性。又如海上風電機組存在平臺的運動。此時,風輪除了旋轉(zhuǎn)、偏航,還隨平臺一起運動,其氣動特性變化更為復雜。分析和認識風輪在這些動態(tài)運動過程中的氣動載荷變化規(guī)律,對提高機組的設(shè)計水平,優(yōu)化風電機組的控制策略,具有重要的意義。傳統(tǒng)的BEM方法和渦尾跡方法無法精細捕捉的流場三維流動細節(jié)�；谟嬎懔黧w動力學和結(jié)構(gòu)動力學的耦合計算存在計算成本過高的問題。為了準確模擬風輪的動態(tài)非定常氣動性能和繞流特性,建立了基于多軸角運動模擬的數(shù)值模擬方法。以NRELPhaseVI風電機組為研究對象,研究了定偏航角下下和動態(tài)過程中的流動變化規(guī)律,通過實驗、動量葉素理論的方法進行結(jié)果對比確認,驗證和確認該方法的合理性。研究了不同偏航角度對風輪總體性能、周向和展向氣動載荷、流動特性的影響。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)周向波動更大,且尾跡出現(xiàn)偏斜;偏航動態(tài)過程中,葉片載荷周向波動加大,尾跡比定偏航角下出現(xiàn)一定程度的擴張。通過上述對比驗證和確認,建立了基于多軸角運動數(shù)值模擬方法。以NREL5MW風電機組為研究對象,研究了大型機組在定偏航角下和不同啟停時間的偏航動態(tài)過程中的氣動載荷和繞流場細節(jié)。對五種不同的定偏航角下和兩種不同啟停變化過程的偏航動態(tài)過程進行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),定偏航角下,隨著偏航角的增加,風輪的迎風側(cè)的截面攻角增大,氣動載荷的幅值更大,且周向的波動幅值隨之增加,順風側(cè)變化規(guī)律相反。在偏航動態(tài)過程中,功率和截面氣動載荷的波動程度增加。2s時間內(nèi)啟動到恒轉(zhuǎn)速偏航的動態(tài)過程中的氣動載荷比4s啟停動態(tài)過程中的氣動載荷幅值更高。且在一定偏航過程中,正向偏航過程的葉片扭矩幅值比反向偏航更高。展向截面載荷波動特性由于受到偏航動態(tài)旋轉(zhuǎn)速度的影響,載荷最大幅值和波動程度比定偏航角下偏高。以NREL5MW風電機組為研究對象,分別采用四種正弦變化規(guī)律的角運動模型,研究了不同振幅和頻率的平臺縱搖和橫搖對機組的氣動特性和繞流場細節(jié)的影響。研究發(fā)現(xiàn),在平臺縱搖晃動軸和風輪旋轉(zhuǎn)軸兩軸耦合下,振幅和頻率的增加都會導致功率和載荷波動增加,流動更加復雜,且展向截面載荷特性和總體性能變化規(guī)律均與平臺縱搖的角速度變化規(guī)律一致。在平臺橫搖晃動軸和風輪旋轉(zhuǎn)軸兩軸耦合下,風輪載荷呈現(xiàn)波動下降的趨勢,推力和功率的變化規(guī)律與平臺橫搖角速度變化規(guī)律一致。隨著振幅的增高,平臺橫搖運動使尾跡邊界出現(xiàn)交替擺動。綜上,在本論文中,提出了基于多軸角運動模擬的風電機組動態(tài)運行過程中非定常氣動特性的研究方法。研究了均勻風速下,定偏航角下單旋轉(zhuǎn)軸運動,再到更為復雜的多旋轉(zhuǎn)軸耦合運動,包括偏航動態(tài)、動態(tài)平臺橫搖、動態(tài)平臺縱搖。研究結(jié)果為深入認識風電機組偏航過程的氣動特性機理以及海上風電機組存在平臺耦合運動的氣動特性機理,保證風電機組穩(wěn)定安全運行,提供了理論支持。
【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】：2019
【分類號】：TM315
【圖文】：

圖１－４水平軸風電機纟Ｕ的風輪尺寸變化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，風電機組無論是失速調(diào)節(jié)，亦或變槳調(diào)節(jié)，不可避免地運行在動態(tài)失逡逑

１．３．２平臺運動的研究現(xiàn)狀逡逑海上風電機組（Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ，ＯＦＷＴ）按支撐平臺類型分為中淺海域逡逑固定式和深海漂浮式［２｜６］，見圖１－９，關(guān)于基座結(jié)構(gòu)的詳細分類可參考文獻綜述逡逑［２１７］�；Y(jié)構(gòu)的不同對平臺運動會產(chǎn)生一定的影響，平臺運動的發(fā)生也引起風逡逑電機組運行的多軸耦合運動，包含平臺縱搖（兩軸）、平臺橫搖（兩軸）、平臺艏搖逡逑（兩軸）以及平臺移動過程，下面就平臺運動對氣動載荷和尾跡兩方面現(xiàn)狀做簡要逡逑介紹。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逡逑漂浮平臺的６自由度搖蕩運動，使得ＯＦＷＴ的氣動載荷比陸上機組更為不逡逑穩(wěn)定，受到學者越來越多的關(guān)注。Ｂａｙａｔｉ＾９８］采用風洞實驗研究了邋１／７５縮比型逡逑１６逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2715161