水平轴风电机组风轮系统动态载荷特性研究

【摘要】：风轮系统作为风电机组最核心的部件之一,研究其在实际运行过程中的动态载荷变化特性以及气弹耦合过程特性是进行风电机组设计与优化,确保机组运行寿命及整体安全稳定的重要理论基础。 以Beddoes-Leishman动态失速简化模型为基础,通过Matlab编程仿真分析了NACA0012翼型的动态失速特性。结果表明在翼型静态失速攻角变化范围内,翼型的失速攻角发生了明显延迟,动态升力系数较静态升力系数出现了明显的增加,而翼型动态阻力系数较静态阻力系数则变化不大。在研究模型参数对翼型动态失速特性的影响方面,结果表明当翼型平均攻角运行范围处于轻度失速和深度失速区时,翼型的动态失速效果明显；增加衰减频率可抑制流动分离的发生；增加压力时间常数可以提高最大升力系数,而增加边界层滞后时间常数可以提高动态失速攻角。 在经典叶素动量理论及相关修正基础上,引入Pitt-Pitters和TUDk动态入流非定常模型,编写基于这两种模型的刚性风轮系统动态载荷仿真计算Matlab程序,在对阵风等风速快速变化工况下的仿真结果表明：TUDk动态入流模型与GL GH Bladed计算的诱导速度和风轮系统载荷结果基本一致,证明了编写的计算程序的有效性；在对动态瞬间变桨工况下的仿真结果表明Pitt-Pitters模型和TUDk模型与不考虑动态入流效应的均衡尾涡模型相比均能够真实反映风轮系统载荷的过冲击现象。在引入动态入流模型基础上,将翼型动态失速模型加入到风轮系统载荷仿真计算程序中,仿真分析了在湍流风工况下的风轮动态载荷变化特性,结果表明局部叶素气动载荷与风轮系统整体载荷都较不考虑动态失速时的载荷有明显的增加。 利用梁的动态变形原理推导考虑与不考虑叶片离心刚化效应时的柔性风轮系统叶片结构动力学方程,对局部叶素气动外阻尼的计算方法进行研究推导,编写了叶素气动外阻尼Matlab仿真计算程序,对模型叶素仿真结果表明叶素面内较面外方向更容易出现负阻尼。将动量叶素理论与结构动力学模态叠加法相结合,编写了考虑气弹耦合过程的风轮系统载荷Matlab仿真计算程序,通过对叶片模态阻尼随桨矩角变化特性的仿真结果表明模型中的叶片在正常运行范围内是气弹稳定的；在湍流风仿真工况下,编程仿真与GL GH Bladed计算的载荷与叶尖变形结果都具有较好一致性,证明了气弹耦合仿真计算结果的合理性。 【关键词】：风电机组 风轮系统 动态失速 动态入流 气弹耦合
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.1.1 研究背景11-13
• 1.1.2 研究目的及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 风轮气动特性计算方法研究现状15-16
• 1.2.2 风轮非定常气动特性研究现状16-18
• 1.2.3 风轮气弹耦合特性研究现状18-20
• 1.3. 论文研究内容20-21
• 第2章 二维翼型动态失速特性研究21-38
• 2.1 引言21
• 2.2 动态升力系数21-30
• 2.2.1 附着流21-25
• 2.2.2 尾缘动态分离流25-30
• 2.3 动态阻力系数30-32
• 2.3.1 诱导阻力30-31
• 2.3.2 粘性阻力31-32
• 2.4 模型参数变化对动态失速的影响研究32-34
• 2.4.1 平均攻角对翼型动态失速特性的影响32-33
• 2.4.2 衰减频率k对翼型动态失速特性的影响33-34
• 2.4.3 时间常数对翼型动态失速特性的影响34
• 2.5 实际风电机组叶片翼型的动态失速特性研究34-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 经典叶素动量理论及其修正38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 经典叶素动量理论及相关修正38-46
• 3.2.1 经典叶素动量理论38-42
• 3.2.2 叶素动量理论相关修正42-44
• 3.2.3 诱导因子迭代求解及气动载荷合成44-46
• 3.3 机组结构坐标系及其载荷分类46-52
• 3.3.1 机组坐标系定义与坐标变换46-48
• 3.3.2 叶素动量理论的结构参数修正48-50
• 3.3.3 风轮系统载荷分类与合成50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 刚性风轮系统非定常载荷过程特性研究53-75
• 4.1 引言53
• 4.2 Pitt-Pitters动态入流模型53-56
• 4.3 TUDk动态入流模型56-59
• 4.4 风轮动态入流算例与结果分析59-69
• 4.4.1 模型算例数据59-60
• 4.4.2 阶跃风速与阵风下载荷过程特性分析60-65
• 4.4.3 动态变桨下载荷过程特性分析65-69
• 4.5 风轮动态失速载荷过程特性分析69-73
• 4.5.1 动态失速模型与时域BEM相结合69-70
• 4.5.2 湍流风下动态失速载荷特性分析70-73
• 4.6 本章小结73-75
• 第5章 柔性风轮系统非定常载荷过程特性研究75-99
• 5.1 引言75
• 5.2 叶片结构动力学方程75-82
• 5.2.1 不考虑离心力叶片动力学方程75-77
• 5.2.2 考虑离心力叶片动力学方程77
• 5.2.3 叶片气动外阻尼与结构内阻尼77-82
• 5.3 叶片模态计算82-87
• 5.3.1 不考虑离心刚化效应83-85
• 5.3.2 考虑离心刚化效应85-87
• 5.4 叶片气弹耦合计算方法研究87-91
• 5.4.1 叶片模态叠加原理87-90
• 5.4.2 叶片气弹耦合计算方法研究90-91
• 5.5 风轮系统气弹耦合过程特性分析91-97
• 5.5.1 叶片模态阻尼随桨矩角变化特性分析91-93
• 5.5.2 动态变桨下气弹耦合载荷特性分析93-94
• 5.5.3 湍流风下气弹耦合载荷特性分析94-97
• 5.6 本章小结97-99
• 第6章 结论与展望99-101
• 6.1 结论99
• 6.2 创新点99-100
• 6.3 展望100-101
• 在校期间发表论文和参加科研情况101-102
• 参考文献102-106
• 致谢106

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