极端运行阵风下风力机的气动特性

发布时间：2021-07-29 10:03

　　基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡. 

【文章来源】：兰州理工大学学报. 2018,44(02)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

图１计算模型Ｆｉｇ．１Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ

图２极端运行阵风风速－时程曲线Ｆｉｇ．２Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｏｆｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｇｕｓｔｓ３结果与分析３．１风轮转矩风轮的转矩能够反映叶片各截面载荷沿叶展方向积分的总体载荷特性．图３是风轮分别在均匀来流、１年一遇的极端运行阵风（以下简称为１年一遇）、５０年一遇的极端运行阵风（以下简称为５０年一遇）条件下转矩随时间的变化曲线．均匀来流时转矩随时间的变化很小，基本保持在２７０ｋＮ·ｍ左右，模拟得到的额定风速下风轮的转矩可以求出风轮输出功率，与设计功率作对比即可验证数值计算结果的准确性．结果表明：在额定风速１０．４ｍ／ｓ的均匀来流条件下，计算得到的风轮输出功率为１．４５８ＭＷ，与设计值１．５ＭＷ相近，所以数值计算结果较为准确可信；极端运行阵风时，风速随时间发生变化，转矩也随之变化：１年一遇在ｔ＝０～４．８５ｓ（５０年一遇在ｔ＝０～６．５４ｓ）阶段风速较低，叶片未失速或处于失速初期，因此转矩与风速变化规律基本一致；而在ｔ＝４．８５～５．２６ｓ（５０年一遇在ｔ＝６．５４～７．０１ｓ）阶段风速持续增大，叶片失速较严重，转矩随着风速的增大开始不断减小，即转矩最大值较风速最大值的出现有所提前．特别是５０年一遇阵风最大风速值较高，所以在此阶段转矩的波动也大于１年一遇阵风；随后在ｔ＝５．２６～６．２７ｓ图３极端运行阵风转矩随时间变化的曲线Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｏｒｑｕｅｗｉ

图４叶片各截面压力Ｆｉｇ．４Ｐｒｅｓｓｕｒｅａｔｓｅｖｅｒａｌｂｌａｄｅｓｅｃｔｉｏｎｓ图５不同时刻吸力面极限流线Ｆｉｇ．５Ｌｉｍｉｔｉｎｇｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｏｖｅｒｂｌａｄｅｓｕｃｔｉｏｎｓｕｒｆａｃｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｓｔａｎｔ风条件下部分时刻叶片吸力面的极限流线．因为均匀来流以及阵风开始、结束阶段的风速相近，所以此时极限流线与截面流线分布较为相似，流动基本是附着流，仅有叶根处流动有小部分分离．而极端运行阵风影响时，在低速来流阶段各截面攻角较小，叶片表面边界层未分离，流动基本为附着流，并且随着风速的减小，流动越平稳，当风速减至最小值时，叶根处的流动分离区域也达到最小；在高速来流阶段各截面攻角较大，叶片表面边界层开始分离，流动出现分离流，并且随着风速的增大，分离更加明显，当风速增至最大值时叶片上流动分离区域也达到最大．由于靠近叶根部分截面的攻角较大，近叶根处的截面绕流存在很大的分离涡．靠近叶尖部分的截面的攻角较小，近叶尖处的截面漩涡区域较小［１１］．图６给出沿展向３５％、６５％、９５％截面在１年一遇及５０年一遇阵风条件下部分时刻流线分布图．３．４法向力、切向力系数分布图７和图８是风轮叶片沿展向３５％、６５％、９５％三个截面在均匀来流、１年一遇和５０年一遇阵风条件下法向力、切向力系数曲线．各工况叶片翼型截面法向力、切向力系数均从叶根到叶尖逐渐减小．均匀来流时各时刻系数变化不大；极端运行阵风时叶片表面流动状态时刻发生改变，但

【参考文献】：
期刊论文
[1]风力发电机组载荷计算中的极端风况分析[J]. 李媛,毛竹.  沈阳工业大学学报. 2008(04)
[2]水平轴风力机的设计与流场特性数值预测[J]. 张玉良,李仁年,杨从新.  兰州理工大学学报. 2007(02)

硕士论文
[1]恶劣环境下大型风力机叶片稳定性问题研究[D]. 王业昊.南京航空航天大学 2014
[2]大型风力发电机组流固耦合尾迹特性分析[D]. 孙凯.上海电力学院 2014
[3]水平轴风力机三维非定常气动特性计算研究[D]. 王芳.南京航空航天大学 2008



本文编号：3309126