强湍流相干结构对水平轴风力机载荷影响研究

发布时间：2020-11-05 23:19

　　 风力机常受到强湍流相干结构的作用,并对其载荷影响显著,而风力机运行时所受到的动态载荷特性是影响风力机使用寿命和安全运行的关键因素。为了提高风力机的使用寿命,降低运行过程中的疲劳载荷,需要对风力机在各工况下的动态载荷变化进行研究。本文以NWTCUP(The NREL National Wind Technology Center Model)风谱模型耦合KHB(Kelvin-Helmholtz Billow)流动,构建了一种强湍流相干结构风况,利用FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)程序计算该风况下WindPACT 1.5MW风力机载荷,分析了不同尺度和分布位置的湍流相干结构对风力机载荷的影响规律,以及偏航状态下风力机载荷随偏航角的变化规律。进而考虑了强湍流相干结构使桨距角角度需要不断调整,易引发不同步变桨故障,使得风力机受力不均,并在均匀来流工况下分析了故障时桨距角偏差角度与载荷的变化规律,得到了可容许偏差的角度范围。(1)通过研究湍流相干结构尺度与位置的改变对风力机叶根摆振、挥舞载荷、低速轴转矩、俯仰力矩以及风轮推力的影响发现,湍流相干结构尺度与位置的改变使得各载荷均值均变化较小,变化幅度不超过3.5%,频域能量主要集中在0.195Hz~1.562Hz之间。KHB尺度与位置的改变对摆振力矩、低速轴转矩的离散程度和频域能量变化影响较小,但存在周期性波动,当湍流相干结构中心位于轮毂中心且覆盖整个风轮平面时,低速轴转矩周期性较强,且在风轮通过频率1.02Hz附近能量存在明显变化。挥舞力矩、俯仰力矩和风轮推力在不同尺度和位置时波动均无明显的周期性,且湍流相干结构中心位于轮毂中心且覆盖整个风轮平面时,频域能量最强,与来流中的大尺度低频湍流有着明显的响应关系。(2)通过研究湍流相干结构对偏航风力机各载荷的影响发现,湍流相干结构的加入以及偏航角度的增加对摆振力矩和低速轴转矩影响较小,且与雷诺应力分量u'w'、v'w'存在明显的互相关性。湍流相干结构的加入会导致雷诺应力分量波动加剧,使得挥舞力矩和偏航力矩离散程度、频域能量明显增强,且挥舞力矩与雷诺应力分量u'w'互相关性明显,偏航力矩与v'w'互相关性明显。随着偏航角度的增大,挥舞力矩和偏航力矩离散程度明显升高,频域能量明显增强,且与u'w'和v'w'互相关性降低。(3)通过研究均匀来流下桨距角不同步故障对风力机输出功率以及各载荷的影响发现,正向不同步角度的增大会使输出功率逐渐降低,当偏差角度为+5°时可降至1.3MW,且波动性增加,叶根载荷出现均值下降且相位滞后现象,其中对挥舞力矩均值影响明显,平均下降率在12.77%。反向不同步角度的增大会导致风轮捕获风能的能力增加,使得输出功率升高,当偏差角度为-5°时可升高至1.74MW,且波动较稳定,叶根载荷出现均值升高且相位超前现象,对摆振力矩、挥舞力矩均值和离散程度影响明显,平均升高率分别为3.06%和7.79%、10.79%和13.55%;桨距角不同步故障对风轮推力和俯仰力矩均值影响不大,但对俯仰力矩的离散程度影响较大,标准差在偏差角-1°时为106.88,在+1°时为99.11,相对较小,故建议偏差角度范围可取-1°到+1°。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

硕士学位论文9度和受力分析如图2.2、2.3所示，叶素环面如图2.4所示。图2.2叶素的运动三角形图2.3叶素的受力图2.4风轮平面叶素环面由图2.2可知，叶素上的和速度W为：22222W=U1-ar1a"∞Ω(2.9)

硕士学位论文9度和受力分析如图2.2、2.3所示，叶素环面如图2.4所示。图2.2叶素的运动三角形图2.3叶素的受力图2.4风轮平面叶素环面由图2.2可知，叶素上的和速度W为：22222W=U1-ar1a"∞Ω(2.9)

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本文编号：2872332