水平轴风力机气动性能与结构动力特性分析

发布时间：2020-05-30 14:42

【摘要】：风力发电机是通过风获得能量的一种设备。由于风本身多变的特性，风力机时常在恶劣的环境中工作。风力机在运行中会经常遭遇大风、阵风等不良天气。由于风荷载的脉动性和风力机自身的柔性结构的特点，诱使风力机产生振动，由大风引起的风力机结构破坏时有发生。因此，人们迫切需要对风力机整机进行分析，风力机整机分析的基础是研究风力机整机的流场特性和结构动力特性。本文主要研究以下两个方面：第一个方面是用计算流体动力学(CFD)来模拟风力机外部流场。首先概述计算流体动力学的基本数学、力学理论基础。然后简单介绍了CFD商用软件Fluent的特点。最后通过Fluent对一33kW水平轴风力机在三种不同来流风速下的绕流流场进行了三维定常数值模拟。根据模拟结果分析叶片不同截面处的静压分布和速度分布，并与实验数据做了对比。结果表明:在三维旋转状态下，叶片的低压区均主要集中在吸力面的上半部分，高压区主要集中在压力面叶片上半部靠近前缘的部分；随着来流风速的增大，叶片压力面的压强增大，吸力面的压强减小；沿叶片展向，各断面测点的表面压力试验值和计算值总体趋势一致，但存在一定差异性，而且越靠近叶根，二者的差异性越大。第二个方面是风轮的结构动力特性分析。通过CFX流场分析得到风轮表面的压力及速度分布，通过Workbench数据接口平台将压力直接传输至风轮表面，同时考虑离心力以及重力，，对风轮进行静态结构分析，进而分析风轮在预应力条件下的模态和自振频率这些结构振动方面的参数。通过对比风轮在静态条件下的模态分析结果，发现在考虑旋转预应力与流固耦合作用后，叶片的模态频率略有上升。这说明在外在流场与旋转预应力的作用下，叶片的动力学特性发生了改变，产生了较为明显的预应力效应。为了探讨风力机在不同工况下风轮的固有频率变化情况，本文又探讨了三种不同转速下的风轮变化情况。通过对比发现，风轮的固有频率值随着风轮转速的增加而增加。
【图文】：

表面形状,翼型,几何特征

图 2.1 翼型的几何特征.1.4 作用在翼型上的气动力假定翼型处于静止状态，令空气以相同的相对速度吹向叶片，作用在翼型上空气动力大小将不变。空气动力只取决于相对速度和攻角的大小，因此，为便研究，均假定翼型静止处于均匀来流速度ν 中[33]。气流流经翼型，受翼型表面形状的干扰，翼型上表面压力小于大气压力，称吸力面，而翼型下表面的压力大于大气压力，称为压力面。(1)用压力系数表示作用在翼型表面空气压力的不均匀，压力系数公式如下：212P Ppρν∞ = (2.3)式中， P —翼型表面上的静压； ρ ， P∞，ν —分别为上游气流的密度、压力流速。

叶素,圆环形,单元,合成流

15图2.5 圆环形叶素单元图2.6 作用在叶素上的力和气流流速从图3.6可以看出，作用在叶素上的合成流速为：( ) ( )2 22 2 2W 1 a U 1 a 'r∞= + + Ω (2.38)合成流速与旋转平面的夹角称为入流角。( )( )1sin1 'cosU aWr aW ∞ = Ω + = (2.39)攻角α 可表示为：α = β(2.40)作用在单位圆环径向宽度 δ r上的升力分量与合成流速W 方向垂直，表达式为：212lδ L = ρW lC δr(2.41)
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

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