水平轴风力机叶片结冰分布数值模拟与冰风洞试验研究

发布时间：2020-06-28 03:06

【摘要】：在风能利用高速发展的大背景下,如何提高风力发电机组的可靠性、可维护性和抵抗各种极端气候条件的能力受到了越来越多的关注,其中,适用于寒冷气候条件的风力机研究便是近年来风力机研发的一个重要方向,而结冰问题又是寒冷气候条件下的主要问题。风力机结冰是指在寒冷气候条件下空气中的液态水在风力机表面冻结并积累成冰的物理过程。叶片表面结冰后会降低翼型升力,增加阻力,导致风力机输出功率降低。叶片结冰会改变其载荷分布,影响结构强度与疲劳寿命;叶片上的冰块甩落也会带来安全隐患。针对水平轴风力机旋转叶片结冰分布进行研究,在参考国内外结冰研究成果的基础上,利用提出的准三维结冰数值模拟方法获得了大型风力机的结冰分布,构建了结冰风洞试验系统,试验获得了旋转叶片模型的结冰分布。主要工作及获得的创新性研究成果如下:(1)提出了适用于水平轴风力机旋转叶片准三维结冰数值模拟研究方法,并对水平轴风力机准三维结冰分布进行了数值模拟研究。借鉴飞行器二维云雾结冰计算理论与方法,依据风力机叶素理论工作原理,提出了风力机旋转叶片准三维结冰数值模拟研究方法。对在额定工况下运行的某1.5 MW水平轴风力机在不同环境温度、液态水含量、水滴粒子平均直径、结冰时间下的旋转叶片结冰进行数值模拟。得到的主要结论:1)利用该方法计算出了旋转叶片结冰分布,归纳出两种典型冰型,即流线型冰和角状型冰;叶片发生结冰区域在尖部前50%-70%;随着结冰时间增长,相同截面展向位置的翼型上的结冰类型不变,只在原有结冰形状的基础上不断扩大,单位时间内扩大量接近相等。当环境温度及液态水含量一定时可推测出该处翼型结冰冰型,而水滴粒子平均直径对结冰冰型影响较弱。环境温度越高,液态水含量越大,越容易形成角状型冰,反之环境温度越低,液态水含量越小,越容易形成流线型冰;液态水含量及水滴粒子平均直径越大,结冰区域越向叶片根部发展。2)建立了风力机不规则冰形评价方法,分析了环境温度、液态水含量及水滴粒子平均直径对结冰特征量最大结冰厚度、结冰面积及结冰体积的影响规律。该成果可为风力机结冰控制策略的开发与防除冰系统设计提供了有益参考。(2)设计新型利用自然低温的结冰风洞试验系统,并对其性能进行了验证。依托我国东北地区特有的持久稳定的低温环境,在实验室既有的常规开口射流式风洞的基础上,设计安装了喷雾系统和气道结构,形成了利用自然低温的结冰风洞试验系统。对结冰试验系统的试验段温度,流场均匀性,液态水含量和水滴粒子平均直径进行了测量,对不同工况下的玻璃钢叶片进行了固定叶片结冰风洞试验。得到的主要结论是:1)当外界温度稳定时结冰风洞试验段温度亦保持稳定,试验段风速分布较均匀,对于液态水含量分布,在试验段截面中心部分产生了较均匀区域,围绕中心区域形成多个相近的环形区域。喷雾系统产生的水滴粒子直径介于30μm~50μm之间,各项指标可在一定程度上满足风力机结冰试验需求。2)利用该系统测试了固定叶片结冰分布,并与数值模拟结果进行了对比分析。在攻角较小且液态水含量较小时,通过试验获得的冰形与数值模拟结果重合度较高。当液态水含量较大时,数值模拟虽然能够得到不规则冰形,但与试验结果偏差较大,表明数值模拟方法还不能完全计算所有工况下的叶片结冰,结冰风洞试验仍是当前风力机叶片结冰研究必不可少的研究方法。该试验系统的设计为风力机以及其它模型的结冰研究提供了新的试验手段。(3)研究了旋转风力机叶片段模型结冰分布规律。在现有利用自然低温的结冰风洞试验系统的基础上,增加了旋转叶片试验台,形成了旋转叶片结冰风洞试验系统。在一定的结冰工况下,对不同直径的圆柱和不同翼型的叶片段在不同转速条件下进行旋转叶片结冰风洞试验。得到的主要结论有:1)获得了旋转圆柱结冰分布规律,通过正交试验获得了旋转圆柱无因次结冰面积及无因次结冰驻点厚度的回归模型方程,其预测趋势与试验结果具有较高吻合性,为旋转叶片结冰研究提供了试验基础。2)对于旋转铝制叶片,总体来看,转速对结冰冰型影响明显,转速较低时结冰冰厚均匀,转速较高时叶片前缘结冰增加,尾缘结冰减少;结冰时间对叶片结冰冰型影响较小,但是随着时间的增加,结冰量增加。对称翼型与非对称翼型结冰冰形存在明显差异,非对称翼型会有前缘结冰与尾缘结冰同时存在的工况;无因次结冰面积、无因次结冰驻点厚度随结冰时间增加而增加,其他典型特征量变化较小;转速不同对结冰典型特征量影响明显,很大程度上决定其发展趋势;非对称翼型在一定工况下出现两个结冰区域,需要增加额外的典型特征量进行分析。3)对于玻璃钢叶片,其结冰规律与铝制叶片相同,通过正交试验获得了无因次结冰面积及无因次结冰驻点厚度的回归模型方程,在一定范围内模型与试验值重合性较高。该部分工作为大型风力机叶片结冰试验研究奠定基础。(4)研究了针对水平轴风力机旋转叶片结冰分布的相似方法,提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统并进行了验证。分析现有结冰相似性研究的相关理论,利用旋转叶片结冰相似方法,提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,拓宽了结冰风洞试验参数范围,提高了结冰风洞的试验能力,并对旋转叶片结冰相似方法在风力机叶片结冰研究中的可行性进行了验证。得到的主要结论有:1)提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,在不改变结冰风洞试验段截面尺寸的前提下,提高了试验模型的圆周速度,使其能进行更多工况的结冰试验;对新结冰试验系统的各项参数进行测量,试验系统可满足旋转叶片结冰试验需求;对比了改进前后旋转圆柱及旋转叶片的结冰冰形,两者重合度较高,改进后的试验系统可进行旋转叶片结冰试验。2)验证了旋转叶片结冰相似方法在风力机旋转叶片结冰研究中的可行性,给出了霜冰及明冰状态下缩比为0.5和0.25时的试验参数,通过数值模拟获得了该试验参数下结冰冰形,与原始工况的结冰冰形相似度较高。利用风力机结冰相似方法,可以用翼型弦长0.21 m距转轴0.5 m的叶片段模型结冰分布预测弦长0.84 m距转轴38.1 m处的实际叶片翼型结冰分布,改进后的结冰风洞试验系统可对该相似试验工况进行试验。该研究属于风力机结冰领域相关研究的前期应用基础性研究,可为后续风力机灾害预测,结冰预警及防除冰系统的开发提供理论和试验基础。利用该研究获得的结冰分布规律,可以对该结冰工况下的风力机工作性能进行评估,为防除冰系统的设计与研发提供基础参数。利用该研究设计研制的结冰试验系统,可以对现有的风力机计算模型进行进一步的优化,对防除冰装置的有效性进行验证。通过该研究提出的一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,基于风力机叶片结冰相似方法,可以对实际风力机的全尺寸结冰分布开展进一步研究。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK83
【图文】：

增长比,世界,风机,风力机

图 1-1 世界累计风机装机量及增长比例Figure.1-1 Amount of wind turbine installed capacity and growth ratio all over the world风力机依据其风力发电机的输出容量可分为小型、中型、大型及巨型风力机，根据轴与来流方向的关系可分为水平轴风力机和垂直轴风力机[2]，如图 1-2 所示。当前式的水平轴风力机是大型商业化并网风力机发电的绝对主流机型，而在中小型风力

风力机,基本形式

a）水平轴风力机 b）垂直轴风力机图 1-2 风力机基本形式Figure.1-2 Basic form of wind turbine未来发展趋势来看，大型并网风力发电技术仍将是科技研发和化与大规模化仍然是风力机与风电场的两大发展主流，即单机模化。风力机的结构设计将更加紧凑，风电机组控制将更加智

【参考文献】