【摘要】：在風(fēng)能利用高速發(fā)展的大背景下,如何提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性、可維護(hù)性和抵抗各種極端氣候條件的能力受到了越來越多的關(guān)注,其中,適用于寒冷氣候條件的風(fēng)力機(jī)研究便是近年來風(fēng)力機(jī)研發(fā)的一個重要方向,而結(jié)冰問題又是寒冷氣候條件下的主要問題。風(fēng)力機(jī)結(jié)冰是指在寒冷氣候條件下空氣中的液態(tài)水在風(fēng)力機(jī)表面凍結(jié)并積累成冰的物理過程。葉片表面結(jié)冰后會降低翼型升力,增加阻力,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出功率降低。葉片結(jié)冰會改變其載荷分布,影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞壽命;葉片上的冰塊甩落也會帶來安全隱患。針對水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布進(jìn)行研究,在參考國內(nèi)外結(jié)冰研究成果的基礎(chǔ)上,利用提出的準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬方法獲得了大型風(fēng)力機(jī)的結(jié)冰分布,構(gòu)建了結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng),試驗獲得了旋轉(zhuǎn)葉片模型的結(jié)冰分布。主要工作及獲得的創(chuàng)新性研究成果如下:(1)提出了適用于水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬研究方法,并對水平軸風(fēng)力機(jī)準(zhǔn)三維結(jié)冰分布進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。借鑒飛行器二維云霧結(jié)冰計算理論與方法,依據(jù)風(fēng)力機(jī)葉素理論工作原理,提出了風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片準(zhǔn)三維結(jié)冰數(shù)值模擬研究方法。對在額定工況下運行的某1.5 MW水平軸風(fēng)力機(jī)在不同環(huán)境溫度、液態(tài)水含量、水滴粒子平均直徑、結(jié)冰時間下的旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰進(jìn)行數(shù)值模擬。得到的主要結(jié)論:1)利用該方法計算出了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布,歸納出兩種典型冰型,即流線型冰和角狀型冰;葉片發(fā)生結(jié)冰區(qū)域在尖部前50%-70%;隨著結(jié)冰時間增長,相同截面展向位置的翼型上的結(jié)冰類型不變,只在原有結(jié)冰形狀的基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)大,單位時間內(nèi)擴(kuò)大量接近相等。當(dāng)環(huán)境溫度及液態(tài)水含量一定時可推測出該處翼型結(jié)冰冰型,而水滴粒子平均直徑對結(jié)冰冰型影響較弱。環(huán)境溫度越高,液態(tài)水含量越大,越容易形成角狀型冰,反之環(huán)境溫度越低,液態(tài)水含量越小,越容易形成流線型冰;液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑越大,結(jié)冰區(qū)域越向葉片根部發(fā)展。2)建立了風(fēng)力機(jī)不規(guī)則冰形評價方法,分析了環(huán)境溫度、液態(tài)水含量及水滴粒子平均直徑對結(jié)冰特征量最大結(jié)冰厚度、結(jié)冰面積及結(jié)冰體積的影響規(guī)律。該成果可為風(fēng)力機(jī)結(jié)冰控制策略的開發(fā)與防除冰系統(tǒng)設(shè)計提供了有益參考。(2)設(shè)計新型利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng),并對其性能進(jìn)行了驗證。依托我國東北地區(qū)特有的持久穩(wěn)定的低溫環(huán)境,在實驗室既有的常規(guī)開口射流式風(fēng)洞的基礎(chǔ)上,設(shè)計安裝了噴霧系統(tǒng)和氣道結(jié)構(gòu),形成了利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)。對結(jié)冰試驗系統(tǒng)的試驗段溫度,流場均勻性,液態(tài)水含量和水滴粒子平均直徑進(jìn)行了測量,對不同工況下的玻璃鋼葉片進(jìn)行了固定葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗。得到的主要結(jié)論是:1)當(dāng)外界溫度穩(wěn)定時結(jié)冰風(fēng)洞試驗段溫度亦保持穩(wěn)定,試驗段風(fēng)速分布較均勻,對于液態(tài)水含量分布,在試驗段截面中心部分產(chǎn)生了較均勻區(qū)域,圍繞中心區(qū)域形成多個相近的環(huán)形區(qū)域。噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的水滴粒子直徑介于30μm~50μm之間,各項指標(biāo)可在一定程度上滿足風(fēng)力機(jī)結(jié)冰試驗需求。2)利用該系統(tǒng)測試了固定葉片結(jié)冰分布,并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。在攻角較小且液態(tài)水含量較小時,通過試驗獲得的冰形與數(shù)值模擬結(jié)果重合度較高。當(dāng)液態(tài)水含量較大時,數(shù)值模擬雖然能夠得到不規(guī)則冰形,但與試驗結(jié)果偏差較大,表明數(shù)值模擬方法還不能完全計算所有工況下的葉片結(jié)冰,結(jié)冰風(fēng)洞試驗仍是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰研究必不可少的研究方法。該試驗系統(tǒng)的設(shè)計為風(fēng)力機(jī)以及其它模型的結(jié)冰研究提供了新的試驗手段。(3)研究了旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片段模型結(jié)冰分布規(guī)律。在現(xiàn)有利用自然低溫的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了旋轉(zhuǎn)葉片試驗臺,形成了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)。在一定的結(jié)冰工況下,對不同直徑的圓柱和不同翼型的葉片段在不同轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗。得到的主要結(jié)論有:1)獲得了旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)冰分布規(guī)律,通過正交試驗獲得了旋轉(zhuǎn)圓柱無因次結(jié)冰面積及無因次結(jié)冰駐點厚度的回歸模型方程,其預(yù)測趨勢與試驗結(jié)果具有較高吻合性,為旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰研究提供了試驗基礎(chǔ)。2)對于旋轉(zhuǎn)鋁制葉片,總體來看,轉(zhuǎn)速對結(jié)冰冰型影響明顯,轉(zhuǎn)速較低時結(jié)冰冰厚均勻,轉(zhuǎn)速較高時葉片前緣結(jié)冰增加,尾緣結(jié)冰減少;結(jié)冰時間對葉片結(jié)冰冰型影響較小,但是隨著時間的增加,結(jié)冰量增加。對稱翼型與非對稱翼型結(jié)冰冰形存在明顯差異,非對稱翼型會有前緣結(jié)冰與尾緣結(jié)冰同時存在的工況;無因次結(jié)冰面積、無因次結(jié)冰駐點厚度隨結(jié)冰時間增加而增加,其他典型特征量變化較小;轉(zhuǎn)速不同對結(jié)冰典型特征量影響明顯,很大程度上決定其發(fā)展趨勢;非對稱翼型在一定工況下出現(xiàn)兩個結(jié)冰區(qū)域,需要增加額外的典型特征量進(jìn)行分析。3)對于玻璃鋼葉片,其結(jié)冰規(guī)律與鋁制葉片相同,通過正交試驗獲得了無因次結(jié)冰面積及無因次結(jié)冰駐點厚度的回歸模型方程,在一定范圍內(nèi)模型與試驗值重合性較高。該部分工作為大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰試驗研究奠定基礎(chǔ)。(4)研究了針對水平軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰分布的相似方法,提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)并進(jìn)行了驗證。分析現(xiàn)有結(jié)冰相似性研究的相關(guān)理論,利用旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法,提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng),拓寬了結(jié)冰風(fēng)洞試驗參數(shù)范圍,提高了結(jié)冰風(fēng)洞的試驗?zāi)芰?并對旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰研究中的可行性進(jìn)行了驗證。得到的主要結(jié)論有:1)提出了一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng),在不改變結(jié)冰風(fēng)洞試驗段截面尺寸的前提下,提高了試驗?zāi)Ｐ偷膱A周速度,使其能進(jìn)行更多工況的結(jié)冰試驗;對新結(jié)冰試驗系統(tǒng)的各項參數(shù)進(jìn)行測量,試驗系統(tǒng)可滿足旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗需求;對比了改進(jìn)前后旋轉(zhuǎn)圓柱及旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)冰冰形,兩者重合度較高,改進(jìn)后的試驗系統(tǒng)可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰試驗。2)驗證了旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰相似方法在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰研究中的可行性,給出了霜冰及明冰狀態(tài)下縮比為0.5和0.25時的試驗參數(shù),通過數(shù)值模擬獲得了該試驗參數(shù)下結(jié)冰冰形,與原始工況的結(jié)冰冰形相似度較高。利用風(fēng)力機(jī)結(jié)冰相似方法,可以用翼型弦長0.21 m距轉(zhuǎn)軸0.5 m的葉片段模型結(jié)冰分布預(yù)測弦長0.84 m距轉(zhuǎn)軸38.1 m處的實際葉片翼型結(jié)冰分布,改進(jìn)后的結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng)可對該相似試驗工況進(jìn)行試驗。該研究屬于風(fēng)力機(jī)結(jié)冰領(lǐng)域相關(guān)研究的前期應(yīng)用基礎(chǔ)性研究,可為后續(xù)風(fēng)力機(jī)災(zāi)害預(yù)測,結(jié)冰預(yù)警及防除冰系統(tǒng)的開發(fā)提供理論和試驗基礎(chǔ)。利用該研究獲得的結(jié)冰分布規(guī)律,可以對該結(jié)冰工況下的風(fēng)力機(jī)工作性能進(jìn)行評估,為防除冰系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)提供基礎(chǔ)參數(shù)。利用該研究設(shè)計研制的結(jié)冰試驗系統(tǒng),可以對現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)計算模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,對防除冰裝置的有效性進(jìn)行驗證。通過該研究提出的一種偏心放置的繞軸旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗系統(tǒng),基于風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰相似方法,可以對實際風(fēng)力機(jī)的全尺寸結(jié)冰分布開展進(jìn)一步研究。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK83
【圖文】：

圖 1-1 世界累計風(fēng)機(jī)裝機(jī)量及增長比例Figure.1-1 Amount of wind turbine installed capacity and growth ratio all over the world風(fēng)力機(jī)依據(jù)其風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出容量可分為小型、中型、大型及巨型風(fēng)力機(jī)，根據(jù)軸與來流方向的關(guān)系可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)[2]，如圖 1-2 所示。當(dāng)前式的水平軸風(fēng)力機(jī)是大型商業(yè)化并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)發(fā)電的絕對主流機(jī)型，而在中小型風(fēng)力

a）水平軸風(fēng)力機(jī) b）垂直軸風(fēng)力機(jī)圖 1-2 風(fēng)力機(jī)基本形式Figure.1-2 Basic form of wind turbine未來發(fā)展趨勢來看，大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)仍將是科技研發(fā)和化與大規(guī)�；匀皇秋L(fēng)力機(jī)與風(fēng)電場的兩大發(fā)展主流，即單機(jī)�；�。風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計將更加緊湊，風(fēng)電機(jī)組控制將更加智

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 舒立春;戚家浩;胡琴;蔣興良;邱剛;李瀚濤;于洪杰;;風(fēng)機(jī)葉片電加熱防冰模型及分區(qū)防冰方法[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2017年05期

2 ;2016年全球風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計[J];風(fēng)能;2017年02期

3 邵淵淵;;風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的問題與探討[J];通訊世界;2017年02期

4 張強(qiáng);陳迎春;周濤;白峰;;民用飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰試驗與數(shù)值預(yù)測[J];航空動力學(xué)報;2017年01期

5 張恒;李杰;龔志斌;;多段翼型縫翼前緣結(jié)冰大迎角分離流動數(shù)值模擬[J];航空學(xué)報;2017年02期

6 戰(zhàn)培國;;國外結(jié)冰試驗研究平臺綜述[J];飛航導(dǎo)彈;2016年11期

7 舒立春;任曉凱;胡琴;蔣興良;梁健;邱剛;李瀚濤;;環(huán)境參數(shù)對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰特性及輸出功率的影響[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2016年21期

8 李巖;劉欽東;王紹龍;馮放;田川公太朗;;小型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2016年05期

9 桑為民;胡少華;魯天;;過冷大水滴動力學(xué)特性對結(jié)冰影響數(shù)值研究[J];空氣動力學(xué)學(xué)報;2016年05期

10 祖孝勇;張林;肖斌;朱世民;;3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞總壓探針和皮托管研制[J];實驗流體力學(xué);2016年04期

相關(guān)會議論文 前5條

1 熊建軍;馬軍;;3m×2m結(jié)冰風(fēng)洞攝像監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[A];2016航空試驗測試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2016年

2 黃超群;蔣仁言;;風(fēng)電機(jī)組的運維管理研究現(xiàn)狀與展望[A];2015年全國機(jī)械行業(yè)可靠性技術(shù)學(xué)術(shù)交流會暨第五屆可靠性工程分會第二次全體委員大會論文集[C];2015年

3 徐宇;張淑麗;蘇祥穎;謝存存;;結(jié)冰對風(fēng)力機(jī)性能的影響[A];中國農(nóng)機(jī)工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》（2015年第3期）[C];2015年

4 易賢;朱國林;劉志濤;陳洪;;積冰問題的數(shù)值預(yù)測和積冰試驗相似準(zhǔn)則研究[A];第二屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集[C];2006年

5 李明;陳洪;李軍;;0.3米×0.2米結(jié)冰風(fēng)洞建設(shè)與試驗研究[A];大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2007年

相關(guān)重要報紙文章 前1條

1 王敬濤;武蓓蓓;;2015年中國風(fēng)能太陽能資源年景公報發(fā)布[N];中國氣象報;2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 孟繁鑫;機(jī)翼結(jié)冰模擬中關(guān)鍵問題的研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

2 孫志國;飛機(jī)結(jié)冰數(shù)值計算與冰風(fēng)洞部件設(shè)計研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

3 易賢;飛機(jī)積冰的數(shù)值計算與積冰試驗相似準(zhǔn)則研究[D];中國空氣動力研究與發(fā)展中心;2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 黃抒宇;數(shù)值模擬機(jī)翼積冰及其氣動特性分析[D];南京航空航天大學(xué);2013年

2 李聲茂;結(jié)冰對直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性影響研究[D];東北農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年

3 鄧曉湖;水平軸風(fēng)力機(jī)槳葉覆冰的數(shù)值模擬[D];長沙理工大學(xué);2011年

4 閔現(xiàn)花;結(jié)冰條件下過冷水滴撞擊特性及熱平衡分析[D];上海交通大學(xué);2010年

5 胡站偉;結(jié)冰風(fēng)洞云霧參數(shù)變化規(guī)律初探[D];中國空氣動力研究與發(fā)展中心;2009年

本文編號：2732467