偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

发布时间：2020-07-23 00:19

【摘要】：随着全球科技及经济文明的快速发展,全球化石能源储备即将消耗殆尽,可再生能源的合理利用已成为当今热点话题,风力发电是对可再生能源利用最为充分、合理的渠道之一。自然条件中,风力机无法实时追踪时刻变化的风向,在运行过程中时常处于偏航状态;同时,低空急流对风力发电机组的影响已引起人们的关注。本文对一台1.5MW三叶片水平轴风力机进行数值模拟研究,探究了偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响,研究工作主要包括以下几个方面:(1)分别对风切变与低空急流两种入流条件下的风力机进行仿真计算,对比了不同工况对水平轴风力机气动性能的影响。结果表明,在相同偏航角下,低空急流增强了叶片流动分离,增大了风轮与叶片的推力,增加了转矩波动次数和风轮输出功率,叶片推力随方位角变化呈双峰曲线分布,风轮、叶片所受气动力与力矩均大于切变入流。(2)随偏航角增大,两种入流条件下风轮所受气动力均下降,风轮功率衰减符合cos~3γ法则;低空急流下叶片流动分离现象增强,叶片推力随方位角变化曲线的对称性消失,叶片偏航力矩在90°方位角处峰值减小,在270°方位角处峰值增大;风轮后尾流沿横向偏移现象愈发明显,同时尾流膨胀效应有所减小并且尾流中心出现渐缩现象,对下游影响区域减小。(3)偏航角为15°时,探究了急流强度变化对风轮气动性能的影响。结果表明,随着急流强度的增强,风轮功率及推力上升,风轮与叶片所受气动力与气动力矩均上升,叶片表面流动分离增强。叶片前缘高速区沿弦向增长,风轮后尾流亏损有明显改善。(4)偏航角为15°时,研究了急流宽度变化对风轮气动性能的影响。研究表明,急流宽度变化对风轮气动性能影响较大。随急流宽度增大,风轮推力与功率均增大,风轮与叶片所受气动力与气动力矩随方位角变化的曲线峰值逐渐减小,急流宽度为11.25m时存在异常波动。同时,叶片流动分离增强,风轮处轴向速度有所升高,叶片前缘高速区沿展向扩展。(5)对比偏航条件下不同急流高度对风轮气动性能的影响。结果表明,急流高度变化对风轮推力及功率无明显影响。急流高度为风轮轮毂高度时,风轮与叶片气动力与气动力矩峰值最大,且波动次数增加。随急流高度上升,叶片流动分离增强,叶片推力、转矩以及偏航力矩峰值位置向外侧移动。急流高度升高对风轮后近尾流区速度亏损有所改善,但随着尾流向下游发展,尾流亏损随急流高度的升高而增大。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK83
【图文】：

金水,青海,风电

资源和保护环境的基本国策”。《“十三五”节能减排综合工作方案》，全国万元国内生产总值能耗比 2015 年下降 15%，能源消费总量标准煤以内。全国化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放总2001 万吨、207 万吨、1580 万吨、1574 万吨以内，比 2015 年分0%、15%和 15%。全国挥发性有机物排放总量比 2015 年下降 10%现十九大报告与“十三五”规划目标，需要优化调整我国目前的能源结护环境，减少化石类能源的使用，加快发展新能源。曾有科学家预测球所使用的大部分能源将主要包括风能、潮汐能、太阳能、核能、氢其中风能是安全度最高，成本最低廉，技术相对成熟的新绿色环保能来最有前途的可再生能源之一，风力发电是我国未来经济发展的关，全球风电市场装机量累计高达 591GW。其中 2018 年，我国风电新00 万千瓦，累计装机容量达到 2.1 亿千瓦[4]。《风电发展“十三五” 2020 年底，风电累计并网装机容量确保达到 2.1 亿 kW 以上，其网装机容量达到 500 万 kW 以上；风电年发电量确保达到 4200 亿国总发电量的 6%[5]。

风力机,实际运行,因素,大气边界层

偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响国地域辽阔，气候复杂多样，蕴含的风资源十分丰富。中国气象科学研究资源进行评估得出，全国范围内可用于风力发电的风能资源高达 11 亿千8 亿千瓦来源于陆地，7.42 亿千瓦来源于海洋[6]。为提高我国发电总量，战略行动计划(2014-2020 年)》中明确指出要以南方和中东部地区为重展分布式发电，稳步发展海上风电[7]。力机在大气边界层中运行，会受到复杂入流的影响，同时还会受到、地形等因素的干扰[8]。在风力机设计、性能计算和寿命评估的过程中考虑这些复杂来流对风力机所带来的影响，而不是简单地在轮毂高度风速进行评估。依据稳定条件，可将大气边界层分为三大类，即稳定，中性大气边界层以及不稳定大气边界层[9]。大气边界层时刻在变化机在正常运行的过程中来流会变得十分复杂。

诱导速度,偏航,风力机,尾流

收敛的角度对网格无关性进行了验证，同时为了保证数值计算的准确性，通过比较数值计算和实验结果对数值方法做了验证。2.1 风力机偏航空气动力学基础2.1.1 风力机偏航动量理论直接将动量定理应用在代替偏航风力机风轮的致动盘上是不合理的，理由如下。因为动量定理只能确定平均诱导速度。在轴流工况下诱导速度允许在径向上存在一定的变化。然而在偏航工况下叶片环量也随着风力机叶片方位角不断变化。假设作用在风轮上的作用力垂直于风轮平面，那么平均诱导速度必定也垂直于风轮平面（即与风力机风轮旋转轴方向平行）。因为受到与来流方向正交方向诱导速度分量的影响，尾流会向一侧偏斜。所以与轴流工况相同，作用在风轮平面上的平均诱导速度为风轮尾迹区域的一半[56]。处于偏航状态下的风轮，假设风轮偏航角为 γ，如图 2.1，令其轴向动量变化率和流经风轮平面的质量流量变化率与垂直于风轮平面的速度变化率之积相等。

【参考文献】