【摘要】：風(fēng)能由于潔凈可再生的特點(diǎn),近年來(lái)得到了快速發(fā)展。目前世界裝機(jī)容量已超過(guò)486.7GW,且在未來(lái)10年全球?qū)?huì)持續(xù)增大。逐漸增加的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量,為了追求高風(fēng)能利用效率,受風(fēng)能資源和建設(shè)選址的制約,迫使大量風(fēng)電場(chǎng)向人煙稀少的近海或內(nèi)陸荒漠地區(qū)發(fā)展,常受到颶風(fēng)、暴雨、冰雹、沙塵暴、鹽漬等的沖擊與侵蝕,伴隨高的葉尖旋轉(zhuǎn)速度,很容易造成葉片表面的磨蝕。前緣磨蝕問(wèn)題是許多風(fēng)電企業(yè)運(yùn)行中難以克服的關(guān)鍵問(wèn)題,對(duì)風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定都帶來(lái)不利影響,在風(fēng)電企業(yè)運(yùn)行管理和維護(hù)方案制定中必須加以考慮。但是,目前關(guān)于磨蝕對(duì)風(fēng)力機(jī)影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很有限,缺乏對(duì)磨蝕引起的翼型和葉片流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化及氣動(dòng)載荷的定量研究。因此,本文圍繞不同類型、不同程度磨蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷的影響進(jìn)行研究,旨在獲得磨蝕對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律,為風(fēng)電企業(yè)的運(yùn)行管理、葉片維護(hù)、高效發(fā)電和安全生產(chǎn)提供理論依據(jù),為不同磨蝕程度風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率預(yù)估提供指導(dǎo)。本文的主要研究?jī)?nèi)容與成果包括:采用CFD方法,系統(tǒng)分析了不同程度的凹槽磨蝕、點(diǎn)蝕、剝蝕對(duì)S809翼型繞流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、壓力系數(shù)和氣動(dòng)性能的影響,得出了不同磨蝕類型中磨蝕參數(shù)變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,結(jié)果表明當(dāng)凹槽磨蝕深度/厚度的比值超過(guò)0.5時(shí),隨著磨蝕深度的增加翼型氣動(dòng)性能基本保持不變;對(duì)于點(diǎn)蝕模型,當(dāng)點(diǎn)蝕深度超過(guò)0.5mm后翼型升阻比變化較小,點(diǎn)蝕各特征參數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響的次序?yàn)辄c(diǎn)蝕密度點(diǎn)蝕深度點(diǎn)蝕面積點(diǎn)蝕位置;對(duì)于剝蝕模型,1%c的剝蝕長(zhǎng)度對(duì)翼型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)性能影響最大,隨著剝蝕長(zhǎng)度的增加,翼型尾緣分離區(qū)尺度逐漸減小,翼型的氣動(dòng)力系數(shù)反而增大,但隨著剝蝕厚度的增加,翼型的氣動(dòng)力系數(shù)下降。對(duì)傳統(tǒng)的BEM模型進(jìn)行了修正,采用修正的BEM模型和二維磨蝕翼型的CFD氣動(dòng)力數(shù)據(jù),對(duì)NREL PhaseⅥ風(fēng)力機(jī)在葉片前緣均勻剝蝕、均勻點(diǎn)蝕和均勻槽蝕時(shí)風(fēng)輪氣動(dòng)力變化的物理作用機(jī)理和變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)闡述,得出了磨蝕參數(shù)變化時(shí)引起的葉片各斷面軸向誘導(dǎo)因子、切向誘導(dǎo)因子、法向力系數(shù)和切向力的變化,以及對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM、推力系數(shù)CT、輸出功率與推力的影響規(guī)律;通過(guò)量綱分析法建立了剝蝕、點(diǎn)蝕和槽蝕的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)標(biāo)定了所建模型的磨蝕系數(shù),得到了磨蝕系數(shù)標(biāo)定圖,通過(guò)在標(biāo)定圖中查取磨蝕系數(shù)并采用所建立的磨蝕模型可快速計(jì)算不同磨蝕程度時(shí)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷變化量;通過(guò)比較葉片前緣均勻剝蝕、點(diǎn)蝕和槽蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能的影響,發(fā)現(xiàn)了其影響程度為槽蝕剝蝕點(diǎn)蝕。通過(guò)將葉片劃分為10個(gè)區(qū)域研究每個(gè)區(qū)域局部發(fā)生磨蝕時(shí)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷的影響,結(jié)果表明當(dāng)磨蝕分別發(fā)生在葉片外側(cè)0.7R~1.0R、葉片中部0.4R~0.6R及葉片內(nèi)側(cè)0~0.4R時(shí),所引起的損失約占葉片前緣整體剝蝕所引起損失的60%、30%和10%。據(jù)此進(jìn)一步將葉片劃分為內(nèi)側(cè)(I區(qū))、中部(II區(qū))和外側(cè)(III區(qū))三個(gè)區(qū)域進(jìn)行局部磨蝕影響效應(yīng)研究,結(jié)果表明所有磨蝕類型下I區(qū)發(fā)生局部磨蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷的影響較小;對(duì)于局部剝蝕和槽蝕而言,III區(qū)和II區(qū)剝蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷影響同等重要;對(duì)于局部點(diǎn)蝕而言,III區(qū)點(diǎn)蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷影響大于II區(qū)。通過(guò)計(jì)算I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)發(fā)生剝蝕、點(diǎn)蝕、槽蝕時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)功率和推力影響的權(quán)重因子i?、i(38),采用分配權(quán)重的方法建立了完整的剝蝕、點(diǎn)蝕和槽蝕數(shù)學(xué)模型,并對(duì)不同磨蝕程度下的權(quán)重因子進(jìn)行了標(biāo)定,根據(jù)磨蝕系數(shù)、權(quán)重系數(shù)和磨蝕模型可計(jì)算不同磨蝕位置、磨蝕程度對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷的影響,通過(guò)葉片前緣非均勻磨蝕算例驗(yàn)證了所建磨蝕模型的可靠性�；谛〔ǚ治隼碚撗芯苛岁囷L(fēng)和湍流來(lái)流對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能的影響,發(fā)現(xiàn)兩種來(lái)流條件下風(fēng)輪氣動(dòng)載荷波動(dòng)的極大值均為極小值的2倍左右,與平均量相比,陣風(fēng)引起的氣動(dòng)載荷波幅要大于湍流;隨著平均風(fēng)速的增大,來(lái)流中湍動(dòng)能TKE和相干湍動(dòng)能CTKE幅值增高,推力系數(shù)CT和功率系數(shù)CP的波動(dòng)增加,氣動(dòng)載荷的極值交替頻率增加;葉片非均勻磨蝕引起的風(fēng)輪功率系數(shù)變幅遠(yuǎn)大于葉片均勻剝蝕,非均勻磨蝕時(shí)功率系數(shù)最大變幅可達(dá)99%,而均勻磨蝕時(shí)功率系數(shù)最大變幅為42.2%。通過(guò)CFD方法模擬了均勻來(lái)流、切變來(lái)流和極端運(yùn)行陣風(fēng)條件下葉片前緣磨蝕對(duì)風(fēng)力機(jī)三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)載荷的影響,結(jié)果表明在均勻來(lái)流條件下,隨著葉片前緣磨蝕程度的增大,流動(dòng)分離點(diǎn)前移,葉片失速區(qū)擴(kuò)大;與光滑葉片相比,磨蝕導(dǎo)致葉片吸力面壓力的峰值明顯下降,葉片整體壓差減小;風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和推力均隨磨蝕程度的增大而減小,隨著風(fēng)速的增大,風(fēng)輪氣動(dòng)載荷減小的幅度先增大后減小。切變來(lái)流條件下,葉根處風(fēng)輪氣動(dòng)性能受方位角變化影響較小,而在葉尖位置,當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)前緣磨蝕對(duì)功率損失的影響增大,但隨著風(fēng)速的增大,磨蝕對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷的影響隨葉片方位角的變化而減小前緣磨蝕對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)的影響明顯,在10m/s風(fēng)速時(shí),風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周轉(zhuǎn)矩系數(shù)CMy的平均降低42.54%,而20m/s風(fēng)速時(shí)降低達(dá)54.19%。在極端陣風(fēng)運(yùn)行條件下,前緣磨蝕對(duì)風(fēng)輪推力系數(shù)的影響較小,但對(duì)轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響較大,隨著磨蝕程度的增大,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩系數(shù)降低。通過(guò)對(duì)比BEM與CFD計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了BEM計(jì)算結(jié)果的可靠性。
【圖文】：

2016 年全球風(fēng)電新裝機(jī)容量54,600MW，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 486,749 MW，同比增長(zhǎng) 12.5%（見圖1-1 和 1-2），在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)風(fēng)電的發(fā)電比例可達(dá)兩位數(shù)，甚至在一些地區(qū)達(dá)圖 1-1 全球風(fēng)電年新增裝機(jī)容量 2001-2016 年圖 1-2 全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量 2001-2016 年

風(fēng)能作為目前除水能之外的最可實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的清潔能源，，得到了世界各個(gè)國(guó)家與地區(qū)的認(rèn)可和發(fā)展，在全球能源結(jié)構(gòu)中正在扮演著日益重要的作用。根據(jù)《Global Wind Statistics 2016》[2]的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016 年全球風(fēng)電新裝機(jī)容量54,600MW，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá) 486,749 MW，同比增長(zhǎng) 12.5%（見圖1-1 和 1-2），在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)風(fēng)電的發(fā)電比例可達(dá)兩位數(shù)，甚至在一些地區(qū)達(dá)圖 1-1 全球風(fēng)電年新增裝機(jī)容量 2001-2016 年
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK83


本文編號(hào)：2567407