基于FAST程序对水平轴风力机载荷及性能研究
发布时间：2021-08-01 06:21
风在自然界中随处可得。我国风力资源十分丰富。风能的利用有助于降低社会对化石燃料能源的需求,有效缓解能源危机问题。风能是可再生能源,风力机作为获取风能最主要的设备,其性能的稳定性和有效性应该得到讨论并加以重视。风力机可分为底部固定式和海上漂浮式两种。在不考虑塔柱所受载荷的情况下,陆上固定式风力机主要承受的是空气载荷,而海上漂浮式风力机除了承受空气载荷外,还会受到波浪载荷、系泊系统作用等的影响。2002年美国可再生能源实验室开发了 FAST程序,用于陆上或海上双叶片或三叶片风力机的性能分析,经过了十几年的发展,其可靠性已经得到国内外很多学者和专家的肯定。本文基于FAST程序,选择AOC-15/50以及立于SPAR平台的NREL5MW风力机两个模型,分别研究陆上固定式风力机和海上漂浮式风力机的性能。首先介绍了近年来风力机研究现状,包括空气动力学研究现状、风力机研究现状以及FAST程序国内外的研究现状。然后介绍了研究过程中需要用到的各种载荷以及理论基础。之后给出FAST程序的计算步骤以及模型概念图。随后主要研究了陆上固定式风力机在不同风况、不同偏航和不同桨距角的情况下,叶根处受力（矩）情况以及...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１叶素特性分析??＃风风
?第２章风力机理论基础???论即不再适用。为了正确模拟这种延时效应，建议采用广义动态尾涡模型（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ??Ｄｙｎａｍｉｃ?Ｗａｋｅ?Ｍｏｄｅｌ）进行计算。一方面，由于叶素动量理论假设的是与风轮平面平行??的平面动量是处于平衡状态的，因此当叶片出平面挠度较大时，其会造成气动力模型出??错，此时叶素动量理论将不再适用。另一方面，在叶素理论中假设叶素受力均为二维的，??不考虑叶展方向的流动，也就是假定叶展方向受力变化不大。因此当叶展方向流动及载??荷变化较大时，叶素动量理论的精度会大大降低。研宄表明，在叶片快速变桨距时，采??用广义动态尾涡模型与稳态入流模型相比较，在叶片挥舞弯矩和风轮主轴扭矩等参数结??果相差较大，甚至会达到５０％［４３］。??笔者利用ＦＡＳＴ程序对某额定风速下风力机的叶片挥舞弯矩进行了比较，结果如图??２．２所示。可以看到，在时间是２８０ｓ时，采用稳态入流和采用广义动态尾涡的挥舞弯矩??相差最大，达４８．３％，这说明叶片滞后效应对风力机性能影响确实很大。??弯矩／ｋＮ．ｍ??
３．１风力机坐标系??３．１．１机舱坐标系??机舱（Ｎａｃｅｌｌｅ）坐标系也可以称为偏航（Ｙａｗ）坐标系。如图３．１所示，坐标原点??位于塔柱与机舱连接平面的中心；；ｃ轴正方向水平指向风轮一侧（顺风方向＾轴正??方向指向顺风方向左侧；ｚ轴正方向垂直于ｊｃ、轴向上，符合右手定则。本坐标系主要??用于研宄风力机偏航状态时风力机受力情况，具体研究内容会在第４．３小节中给出。??３．１．２叶片坐标系??风力机叶片（Ｂｌａｄｅ）坐标系是风力机中最关键的坐标系之一。如图３．２所示，坐标??原点位于叶片俯仰轴与叶根的交点；ｘ轴与；；Ｏｚ平面正交且符合右手定则；＾轴正方向??指向叶片尾流且与０扭转弦线平行；ｚ轴正方向沿俯仰轴指向叶尖。??有两点需要说明：（１）在叶片坐标系中，沿ｘ轴（或绕ｙ轴）的方向又称为挥舞??（ｆｌａｐｗｉｓｅ）方向；沿轴（或绕ｘ轴）方向又称为摆振（ｅｄｇｅｗｉｓｅ）方向。（２）本文??中采用的风力机模型均为三叶片模型，在ＦＡＳＴ程序中，对于给定方位角，叶片转过的??顺序为３－２－１，且方位角坐标系与叶片坐标系方向相同。??卜Ｖ．??１?Ｉ?ＬＸ??图３．１机舱坐标系?图３．２叶片坐标系??３．２轮毂载荷坐标系转换??３．２．１旋转坐标系??轮穀载荷是以轮毂坐标系为基础进行计算的，通过坐标转换，可以转换成叶片坐标??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化[J]. 刘军,高璐. 电气自动化. 2016(01)
[2]基于B-L气动模型的旋转水平风机叶片经典颤振稳定性分析[J]. 李迺璐,穆安乐,Balas M J. 振动与冲击. 2015(23)
[3]大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究[J]. 郑玉巧,赵荣珍,刘宏. 太阳能学报. 2015(08)
[4]基于FAST的风力机变桨控制器参数设计[J]. 谢双义,金鑫,陈佳. 风机技术. 2014(06)
[5]风力机设计及其空气动力学问题[J]. 王珑,王同光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(12)
[6]直升机升力桨的综合涡流理论[J]. 陈良林. 河南科技. 2013(23)
[7]风电机组动态特性仿真方法研究[J]. 梁立哲,王树强. 辽宁师专学报(自然科学版). 2012(04)
[8]我们需要什么新能源?[J]. 杨子岩. 科学之友(上旬). 2012(04)
[9]平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究[J]. 叶小嵘,张亮,吴海涛,赵静. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(03)
[10]基于改进叶素动量理论的水平轴风电机组气动性能计算[J]. 曾庆川,刘浩,LIM Che Wah,罗维奇,杨云胜. 中国电机工程学报. 2011(23)
博士论文
[1]基于涡尾迹方法的风力机气动特性研究[D]. 许波峰.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]基于独立变桨距的风电机组减振控制技术[D]. 欧清华.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于FAST软件的大型风力发电机组系统建模与控制研究[D]. 熊海洋.重庆大学 2014
[3]发电机故障时风力发电机组的动态特性仿真研究[D]. 孙少华.华北电力大学 2014
[4]基于FAST的风力发电机风轮系统动态特性分析[D]. 田慧.华北电力大学 2014
[5]变速变桨风力发电机组的运行控制策略研究[D]. 谢双义.重庆大学 2013
[6]海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究[D]. 李溢涵.天津大学 2012
[7]大型风力机叶片疲劳寿命分析[D]. 韩宇.华北电力大学（北京） 2011
[8]水平轴风力机专用翼型的空气动力学性能研究[D]. 李德顺.兰州理工大学 2008
[9]水平轴大功率高速风力机风轮空气动力学计算[D]. 张玉良.兰州理工大学 2006
[10]Spar平台系泊系统计算及波浪载荷研究[D]. 张智.天津大学 2005
本文编号：3314992
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１叶素特性分析??＃风风
?第２章风力机理论基础???论即不再适用。为了正确模拟这种延时效应，建议采用广义动态尾涡模型（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ??Ｄｙｎａｍｉｃ?Ｗａｋｅ?Ｍｏｄｅｌ）进行计算。一方面，由于叶素动量理论假设的是与风轮平面平行??的平面动量是处于平衡状态的，因此当叶片出平面挠度较大时，其会造成气动力模型出??错，此时叶素动量理论将不再适用。另一方面，在叶素理论中假设叶素受力均为二维的，??不考虑叶展方向的流动，也就是假定叶展方向受力变化不大。因此当叶展方向流动及载??荷变化较大时，叶素动量理论的精度会大大降低。研宄表明，在叶片快速变桨距时，采??用广义动态尾涡模型与稳态入流模型相比较，在叶片挥舞弯矩和风轮主轴扭矩等参数结??果相差较大，甚至会达到５０％［４３］。??笔者利用ＦＡＳＴ程序对某额定风速下风力机的叶片挥舞弯矩进行了比较，结果如图??２．２所示。可以看到，在时间是２８０ｓ时，采用稳态入流和采用广义动态尾涡的挥舞弯矩??相差最大，达４８．３％，这说明叶片滞后效应对风力机性能影响确实很大。??弯矩／ｋＮ．ｍ??
３．１风力机坐标系??３．１．１机舱坐标系??机舱（Ｎａｃｅｌｌｅ）坐标系也可以称为偏航（Ｙａｗ）坐标系。如图３．１所示，坐标原点??位于塔柱与机舱连接平面的中心；；ｃ轴正方向水平指向风轮一侧（顺风方向＾轴正??方向指向顺风方向左侧；ｚ轴正方向垂直于ｊｃ、轴向上，符合右手定则。本坐标系主要??用于研宄风力机偏航状态时风力机受力情况，具体研究内容会在第４．３小节中给出。??３．１．２叶片坐标系??风力机叶片（Ｂｌａｄｅ）坐标系是风力机中最关键的坐标系之一。如图３．２所示，坐标??原点位于叶片俯仰轴与叶根的交点；ｘ轴与；；Ｏｚ平面正交且符合右手定则；＾轴正方向??指向叶片尾流且与０扭转弦线平行；ｚ轴正方向沿俯仰轴指向叶尖。??有两点需要说明：（１）在叶片坐标系中，沿ｘ轴（或绕ｙ轴）的方向又称为挥舞??（ｆｌａｐｗｉｓｅ）方向；沿轴（或绕ｘ轴）方向又称为摆振（ｅｄｇｅｗｉｓｅ）方向。（２）本文??中采用的风力机模型均为三叶片模型，在ＦＡＳＴ程序中，对于给定方位角，叶片转过的??顺序为３－２－１，且方位角坐标系与叶片坐标系方向相同。??卜Ｖ．??１?Ｉ?ＬＸ??图３．１机舱坐标系?图３．２叶片坐标系??３．２轮毂载荷坐标系转换??３．２．１旋转坐标系??轮穀载荷是以轮毂坐标系为基础进行计算的，通过坐标转换，可以转换成叶片坐标??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化[J]. 刘军,高璐. 电气自动化. 2016(01)
[2]基于B-L气动模型的旋转水平风机叶片经典颤振稳定性分析[J]. 李迺璐,穆安乐,Balas M J. 振动与冲击. 2015(23)
[3]大型风力机叶片气动与结构耦合优化设计研究[J]. 郑玉巧,赵荣珍,刘宏. 太阳能学报. 2015(08)
[4]基于FAST的风力机变桨控制器参数设计[J]. 谢双义,金鑫,陈佳. 风机技术. 2014(06)
[5]风力机设计及其空气动力学问题[J]. 王珑,王同光. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(12)
[6]直升机升力桨的综合涡流理论[J]. 陈良林. 河南科技. 2013(23)
[7]风电机组动态特性仿真方法研究[J]. 梁立哲,王树强. 辽宁师专学报(自然科学版). 2012(04)
[8]我们需要什么新能源?[J]. 杨子岩. 科学之友(上旬). 2012(04)
[9]平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究[J]. 叶小嵘,张亮,吴海涛,赵静. 华中科技大学学报(自然科学版). 2012(03)
[10]基于改进叶素动量理论的水平轴风电机组气动性能计算[J]. 曾庆川,刘浩,LIM Che Wah,罗维奇,杨云胜. 中国电机工程学报. 2011(23)
博士论文
[1]基于涡尾迹方法的风力机气动特性研究[D]. 许波峰.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]基于独立变桨距的风电机组减振控制技术[D]. 欧清华.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于FAST软件的大型风力发电机组系统建模与控制研究[D]. 熊海洋.重庆大学 2014
[3]发电机故障时风力发电机组的动态特性仿真研究[D]. 孙少华.华北电力大学 2014
[4]基于FAST的风力发电机风轮系统动态特性分析[D]. 田慧.华北电力大学 2014
[5]变速变桨风力发电机组的运行控制策略研究[D]. 谢双义.重庆大学 2013
[6]海上风机Spar型浮式基础的运动特性研究[D]. 李溢涵.天津大学 2012
[7]大型风力机叶片疲劳寿命分析[D]. 韩宇.华北电力大学（北京） 2011
[8]水平轴风力机专用翼型的空气动力学性能研究[D]. 李德顺.兰州理工大学 2008
[9]水平轴大功率高速风力机风轮空气动力学计算[D]. 张玉良.兰州理工大学 2006
[10]Spar平台系泊系统计算及波浪载荷研究[D]. 张智.天津大学 2005
本文编号：3314992
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3314992.html
