海上浮式垂直轴风力机的气动特性研究

发布时间：2019-07-28 15:51

【摘要】：海上垂直轴风力机受浮式基础运动的影响,气动载荷非常复杂,讨论浮式基础运动对风力机气动性能的影响尤为重要。本文分析叶片数量、翼型、形状和风轮实度对风机功率系数的影响,确定最佳风机结构参数;讨论塔柱与浮式基础运动对风机功率系数的影响。采用基于叶素动量理论的双致动盘多流管模型计算风机功率系数,运用CFD方法研究风机的气动特性,并与理论结果对比。结果表明:塔柱对风机功率的影响在大尖速比时更为明显;基础的垂荡运动会影响风机的功率系数,不同尖速比的影响结果不同;尖速比增大,不同垂荡周期的基础运动影响差别逐渐显现。
【图文】：

海上浮式垂直轴风力机的气动特性研究

证明了稳定状态的流场变化具有周期性，尾流区域随风流动逐渐变窄，流场分布与风机相位角有关［9］。Mohamed等对比分析了CFD求解格式对不同网格划分软件的适用条件，并对不同翼型的H型风机气动性能进行了比较［10］。Bedon等对三叶片垂直轴风力机在纵倾条件下的气动性能进行了研究［11］。本文综合采用双盘面多流管理论和CFD数值模拟方法，研究了Spar型浮式基础支撑的2.6MW－Φ型风力机的气动载荷特性，分析了浮式基础的运动对风力机气动性能的影响。1浮式风力机形式及参数本文采用的浮式风力机形式如图1所示。风力机安装在桁架式Spar型浮式基础之上，叶片带动塔柱在风力作用下旋转，将风能转化为机械能，并通过安装在基础舱室内的传动机构与发电装置将塔柱旋转的机械能转化为电能，上部风力机和下部浮式基础的具体参数如表1和表2所示。2风力机气动载荷的理论计算方法2.1双致动盘多流管理论Strickland在单流管模型的基础上提出多流管模型，假定各个流管之间互不影响。这一理论更加全面可靠，但计算过程相对复杂。Paraschivoiu在多流管模型的基础上做了改进，提出双致动盘多流管模型，将流管分为上风区和下风区两部分。图1浮式风力机示意图Fig．1Diagramoffloatingwindturbine表1风力机参数Table1Parametersofwindturbine项目数值额定转速/(r·min－1)12.0额定风速/(m·s－1)15.0叶片弦长/m3.5风轮高/m72.0风轮直径/m74.0塔柱直径/m3.0叶片截面翼型NACA0018叶片线型抛物线表2浮式基础参数Table2Parametersoffloatingfoundationm项目数值总吃水43.0上部浮力舱直径12.0上部浮力舱高度10.0主动压载舱直径20.0主动压载舱高度6.0垂荡板边长6.0桁架直径1.2桁架高度31.0混凝?

海上浮式垂直轴风力机的气动特性研究

率系数。2.2计算结果及分析采用双致动盘多流管理论，，利用Matlab软件编程，计算风机气动性能。利用循环迭代求解，流程如下:当给定转子几何型线、来流速度以及转速时，假定干扰因子初值为1，可得到局部尖速比，雷诺数等条件。根据已知翼型参数CL和CD进行差值得到新值，可求得CN和CT，再根据上风函数得到干扰因子新值，如此循环迭代，直到两次得到的干扰因子相差不到10－4即循环结束［12］。由干扰因子可求诱导速度，进而得到叶片受力情况。变换不同的风速和转速，得到一系列功率系数曲线，如图2所示。图2不同速度下的功率系数曲线Fig．2Powercoefficientcurvesatdifferentspeeds由图2可以看出，当风速一定时功率系数随转速的增加先增大后减小，不同风速条件下的最大功率系数不变，但所对应的转速随风速的增加而增加;当转速一定时，功率系数随风速的增加先增大后减小，不同转速条件下的最大功率系数保持不变，但所对应的风速随转速的增加而增加。给定尖速比定义如下λ=ωＲ/V∞式中:ω为风机转速，Ｒ为风机赤道截面半径，V∞为赤道截面无穷远处来流风速。根据上述计算结果，绘制CP-λ曲线，如图3所示。综合以上两种情况，当风力机模型参数确定时，功率系数变化仅与尖速比λ有关。图3CP-λ曲线Fig．3CP-λcurve图3表明，风机额定工况下功率系数CP为0.354，最大功率系数为0.46，对应最佳尖速比为5.4，适应尖速比最大为10.7。根据不同风速条件下的CP值可以求得风力机对应的功率P，绘制功率－风速曲线，如图4所示。图4风机功率曲线与CP曲线Fig．4CurvespowerofwindturbineandCP以下依次改变叶片数量n、叶片截面翼型、风轮实度δ和叶片形状，分别计算风机功率系
【作者单位】：天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室;沧州市华油飞达石油装备有限公司;
【基金】：国家自然科学基金项目(51579176)
【分类号】：TM315

【参考文献】