【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(shù)最為成熟、最具有開發(fā)潛力的風(fēng)力發(fā)電技術(shù),在世界各地得到了長足的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電成本逐年降低,然而風(fēng)力發(fā)電的成本依然是阻礙風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。為了提高風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)效率,進(jìn)而降低風(fēng)力發(fā)電成本,有必要對風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)中最重要的關(guān)鍵部件之一,風(fēng)力機(jī)葉片性能的好壞決定著風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力及運(yùn)行壽命。目前國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化方法進(jìn)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(fēng)力機(jī)葉片的翼型參數(shù)優(yōu)化對于風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力提高效果已經(jīng)不明顯,有必要采用新的翼型結(jié)構(gòu)來提高風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力。在眾多的結(jié)構(gòu)改造方法之中,風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的氣動性能,提高其捕風(fēng)能力,還可對風(fēng)力機(jī)的功率及載荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)和控制,能有效的提高低風(fēng)速時(shí)的捕風(fēng)能力并降低高風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)的載荷,在風(fēng)頻變化較快時(shí)還可以起到輔助變槳作用,在提高風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量的同時(shí),降低了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本并延長了風(fēng)力機(jī)的使用壽命。因此,對于帶分離式尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)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(rèn)真研讀國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,以水平軸風(fēng)力機(jī)葉片作為研究對象,對帶分離式尾緣襟翼的二維風(fēng)力機(jī)翼型及帶分離式尾緣襟翼的三維風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能及優(yōu)化方法進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,主要研究工作包括:(1)風(fēng)力機(jī)空氣動力計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。深入研究并推導(dǎo)了改進(jìn)的BEM理論、三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型及各種修正模型,研究了復(fù)合材料歐拉梁理論并在此基礎(chǔ)上建立了歐拉梁理論與改進(jìn)的BEM理論耦合模型;研究了計(jì)算流體力學(xué)中的SST k-?模型。(2)二維帶分離式尾緣襟翼風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)翼型氣動性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及對比分析,比較了不同的襟翼長度、不同襟翼偏轉(zhuǎn)角度以及不同襟翼縫隙大小對風(fēng)力機(jī)翼型氣動性能的影響。初步確定了襟翼長度、襟翼偏轉(zhuǎn)角度、襟翼縫隙大小對風(fēng)力機(jī)二維翼型氣動性能的影響規(guī)律。(3)基于支持向量機(jī)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的襟翼參數(shù)優(yōu)化研究�；谝陨蠋Ы笠盹L(fēng)力機(jī)翼型氣動性能數(shù)據(jù),采用支持向量機(jī)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立襟翼參數(shù)與翼型氣動性能之間的函數(shù)關(guān)系,將離散的氣動性能數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度、襟翼長度、攻角之間的函數(shù)關(guān)系,并建立以升力系數(shù)和升阻比加權(quán)平均值最大的襟翼參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)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(jìn)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(yīng)的翼型氣動性能,為三維帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。(4)三維帶襟翼風(fēng)力機(jī)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(jìn)行氣動性能計(jì)算,同時(shí)采用改進(jìn)的BEM理論對其進(jìn)行氣動性能計(jì)算并比較,結(jié)果表明CFD方法及改進(jìn)的BEM理論均可對帶襟翼的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動性能計(jì)算分析,與實(shí)驗(yàn)值具有相同的變化趨勢,誤差也在允許范圍內(nèi)。采用CFD優(yōu)點(diǎn)可以更進(jìn)一步研究流場的細(xì)節(jié),而改進(jìn)的BEM理論可以迅速計(jì)算出風(fēng)力機(jī)氣動性能,占用的計(jì)算資源較少。帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片與不帶襟翼風(fēng)力機(jī)葉片比較可看出帶襟翼的風(fēng)力機(jī)捕風(fēng)能力明顯增強(qiáng),尤其是低風(fēng)速情況下,風(fēng)力機(jī)的啟動風(fēng)速也由之前的5m/s降為3m/s,使風(fēng)力機(jī)適用風(fēng)速范圍更寬,從而提高年發(fā)電量。(5)帶襟翼的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。研究了風(fēng)力機(jī)葉片的常用設(shè)計(jì)方法,采用改進(jìn)的BEM理論方法對600kW定速定槳型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)并與原風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行比較,證明了設(shè)計(jì)方法的合理性及可靠性,在此基礎(chǔ)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(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明權(quán)重取0.5時(shí),優(yōu)化結(jié)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(chǔ)上對600kW定速定槳帶襟翼風(fēng)力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,結(jié)果表明帶襟翼的風(fēng)力機(jī)低風(fēng)速的捕風(fēng)能力大大提高,額定風(fēng)速也有所降低,年發(fā)電量提高了10%,度電成本降低了5%。進(jìn)而對1.5MW變速變槳風(fēng)力機(jī)進(jìn)行帶襟翼葉片的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,進(jìn)一步驗(yàn)證了尾緣襟翼在一定風(fēng)速范圍內(nèi)同樣可以提高變槳變速風(fēng)力機(jī)捕風(fēng)能力,不過其提高的幅度沒有在定速定槳風(fēng)力機(jī)上效果明顯。通過定速定槳及變速變槳兩類風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)表明,帶襟翼風(fēng)力機(jī)可以提高低風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)的捕風(fēng)能力,并可降低高風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)的載荷,從而延長風(fēng)力機(jī)的使用壽命。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2449361