基于多轴角运动模拟的风电机组动态气动特性研究

发布时间：2020-06-15 23:31

【摘要】：能源短缺和能源转型促进了可再生能源快速发展。风电作为当前最具规模化利用的清洁可再生能源发电方式,具有良好的发展前景和研究价值。风电机组在运行过程中,存在不同部件绕多个旋转轴同时旋转的运动。例如,在偏航动态过程中,风轮存在旋转运动,同时风轮的旋转平面绕偏航轴进行旋转。展向截面翼型攻角会不断变化,导致风电机组总体性能也发生动态变化,呈现为复杂的三维非定常特性。又如海上风电机组存在平台的运动。此时,风轮除了旋转、偏航,还随平台一起运动,其气动特性变化更为复杂。分析和认识风轮在这些动态运动过程中的气动载荷变化规律,对提高机组的设计水平,优化风电机组的控制策略,具有重要的意义。传统的BEM方法和涡尾迹方法无法精细捕捉的流场三维流动细节。基于计算流体动力学和结构动力学的耦合计算存在计算成本过高的问题。为了准确模拟风轮的动态非定常气动性能和绕流特性,建立了基于多轴角运动模拟的数值模拟方法。以NRELPhaseVI风电机组为研究对象,研究了定偏航角下下和动态过程中的流动变化规律,通过实验、动量叶素理论的方法进行结果对比确认,验证和确认该方法的合理性。研究了不同偏航角度对风轮总体性能、周向和展向气动载荷、流动特性的影响。研究发现,定偏航角下,随着偏航角的增加,叶片载荷出现周向波动更大,且尾迹出现偏斜;偏航动态过程中,叶片载荷周向波动加大,尾迹比定偏航角下出现一定程度的扩张。通过上述对比验证和确认,建立了基于多轴角运动数值模拟方法。以NREL5MW风电机组为研究对象,研究了大型机组在定偏航角下和不同启停时间的偏航动态过程中的气动载荷和绕流场细节。对五种不同的定偏航角下和两种不同启停变化过程的偏航动态过程进行了数值模拟。研究发现,定偏航角下,随着偏航角的增加,风轮的迎风侧的截面攻角增大,气动载荷的幅值更大,且周向的波动幅值随之增加,顺风侧变化规律相反。在偏航动态过程中,功率和截面气动载荷的波动程度增加。2s时间内启动到恒转速偏航的动态过程中的气动载荷比4s启停动态过程中的气动载荷幅值更高。且在一定偏航过程中,正向偏航过程的叶片扭矩幅值比反向偏航更高。展向截面载荷波动特性由于受到偏航动态旋转速度的影响,载荷最大幅值和波动程度比定偏航角下偏高。以NREL5MW风电机组为研究对象,分别采用四种正弦变化规律的角运动模型,研究了不同振幅和频率的平台纵摇和横摇对机组的气动特性和绕流场细节的影响。研究发现,在平台纵摇晃动轴和风轮旋转轴两轴耦合下,振幅和频率的增加都会导致功率和载荷波动增加,流动更加复杂,且展向截面载荷特性和总体性能变化规律均与平台纵摇的角速度变化规律一致。在平台横摇晃动轴和风轮旋转轴两轴耦合下,风轮载荷呈现波动下降的趋势,推力和功率的变化规律与平台横摇角速度变化规律一致。随着振幅的增高,平台横摇运动使尾迹边界出现交替摆动。综上,在本论文中,提出了基于多轴角运动模拟的风电机组动态运行过程中非定常气动特性的研究方法。研究了均匀风速下,定偏航角下单旋转轴运动,再到更为复杂的多旋转轴耦合运动,包括偏航动态、动态平台横摇、动态平台纵摇。研究结果为深入认识风电机组偏航过程的气动特性机理以及海上风电机组存在平台耦合运动的气动特性机理,保证风电机组稳定安全运行,提供了理论支持。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315
【图文】：

图１－４水平轴风电机纟Ｕ的风轮尺寸变化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，风电机组无论是失速调节，亦或变桨调节，不可避免地运行在动态失逡逑

１．３．２平台运动的研究现状逡逑海上风电机组（Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ，ＯＦＷＴ）按支撑平台类型分为中浅海域逡逑固定式和深海漂浮式［２｜６］，见图１－９，关于基座结构的详细分类可参考文献综述逡逑［２１７］。基座结构的不同对平台运动会产生一定的影响，平台运动的发生也引起风逡逑电机组运行的多轴耦合运动，包含平台纵摇（两轴）、平台横摇（两轴）、平台艏摇逡逑（两轴）以及平台移动过程，下面就平台运动对气动载荷和尾迹两方面现状做简要逡逑介绍。逡逑ｎ￣ＩＴｉ￣＾逦＾逦？r-：声逡逑ｍ逦＾邋（／ｋ）逦白逡逑ＶＶＶＶ＾ｒＶＶ邋Ｖ邋Ｖ邋Ｖ邋ＶＶＶＶ邋ＶＶ逡逑＇＇４逡逑图１－９多种固定和漂浮支撑结构ｉ２１７ｌ逡逑Ｆｉｇ．邋１－９邋Ｍｏｓｔ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｇｒｏｕｎｄｅｄ邋ａｎｄ邋ｆｌｏａｔｉｎｇ邋ｔｕｒｂｉｎｅ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ逡逑漂浮平台的６自由度摇荡运动，使得ＯＦＷＴ的气动载荷比陆上机组更为不逡逑稳定，受到学者越来越多的关注。Ｂａｙａｔｉ＾９８］采用风洞实验研究了邋１／７５缩比型逡逑１６逡逑

【参考文献】

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本文编号：2715161