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《南京航空航天大学》 2017年
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定桨距变转速水平轴风力涡轮气动性能与转速控制方法研究

高翔  
【摘要】:在世界范围的能源危机、环境污染的日益加剧以及我国可持续发展战略的大背景下,可再生能源的利用尤其是风能的利用成为国内外研究和发展的重点。为解决风电并网难的世界性难题,大规模非并网风力发电系统应运而生。在该系统中,定桨距水平轴风力涡轮与变速发电机组相结合。这种结合既延续了定桨距风力涡轮结构简单、制造方便、运行可靠、易于维护的优点,又可以通过变速发电机组调节转速来控制风力涡轮的功率输出,解决其风能转换效率低的弊端。因此,开展定桨距变转速风力涡轮的气动性能及其相应的转速控制研究具有重要意义。本文采用动量-叶素理论、CFD数值计算和实验测量方法,针对三台定桨距变转速风力涡轮NREL Phase VI、SVIAB WG500及其缩比风力涡轮模型开展其气动性能、尾流流场和叶片绕流流场的研究,获得了风力涡轮流场的主要流动结构。以此为依据,发展针对定桨距变转速风力涡轮的转速控制模型和风轮叶片的设计方法。并将航空领域先进的流动控制技术引入到已有风力涡轮的流场控制中,为设计、改造定桨距变转速风力涡轮提供必要的支持。本文主要包括以下几部分研究工作:第一部分搭建了考虑静态失速延迟、叶尖损失、轮毂损失以及轴向速度诱导因子修正的动量-叶素理论的计算平台,并编写了相应的计算程序FPVS-HAWT-Perf,用于指导定桨距风力涡轮的设计。采用带有Re??-转捩模型的二维、三维CFD数值计算方法获得了几台定桨距风力涡轮及其翼型的气动特性、流场细节和雷诺数对风力涡轮气动性能的影响,并对静态失速延迟现象进行了研究。研究结果表明,基于动量-叶素理论的预测结果与实验数据仅在小风速范围内比较一致,平均误差在4%左右;考虑静态失速修正后,预测结果可达到在14m/s风速范围内与实验值吻合较好。采用带有Re??-转捩模型的RANS方法对小雷诺数的定桨距模型风轮流场进行数值模拟;对于二维翼型在攻角较小时,雷诺数对翼型的升力系数和阻力系数的影响较大;随着攻角增大,该影响逐渐减弱,特别是当攻角大于30°后,翼型的前后缘均出现了很大的流动分离现象,此时雷诺数的影响很小。对于小尺寸三维风力涡轮,对应于临界雷诺数存在某一临界转速,当转速低于临界转速时,风力涡轮的最大PC下降很快。这对于指导工程上大尺寸风力涡轮与实验风洞内小尺寸风力涡轮模型之间的转换有重要意义。第二部分搭建了小尺寸风力涡轮模型的实验平台,并在风洞中开展吹风实验,获得了风力涡轮模型的气动特性。采用L型五孔探针获得风力涡轮后尾流的平均流场,发现不管是在大转速还是小转速下,风力涡轮后尾流内气流方向与风力涡轮旋转方向相反;转速为700RPM时,风力涡轮尾流区的径向速度沿叶尖方向略微有所减小,沿轴向越向下游越小;而轴向速度沿径向和轴向的变化都不大;转速为1500RPM时,风力涡轮尾流区的径向速度在上游位置沿径向明显减小,而下游两个位置沿径向变化不大;轴向速度沿径向减小,而且此时的轴向速度比700RPM时整体要小。本文认为输出功率越大,其尾流内气流的轴向速度越小。通过PIV技术,获得了风力涡轮叶片流场的速度矢量场。对平均的绝对速度场进行分析发现,风力涡轮后绝对速度运动方向和L型五孔探针测量得到的结果一致,并且从两个工况的速度分布明显看出高风能利用率下风力涡轮后的速度明显偏低。将绝对速度变换到旋转坐标系,通过五个截面的相对速度矢量分布发现,小转速下叶片根部截面有分离区出现,而且其涡量分布显示,叶片尾缘和叶尖部有明显的流动损失。通过对子午面流场的瞬时涡量场进行分析发现,叶尖部、叶根部有强烈的涡产生并向下游传播。二者在离开风力涡轮较长一段距离内不会被耗散掉。叶片扫掠过子午面时,叶片中部尾缘也有涡产生,但是由于强度较弱,离开叶片后很快就被耗散掉。由该子午面上涡的非定常发展结合其于叶片转动方向的关系,勾勒出风力涡轮后涡系的三维结构。第三部分提出一种定桨距变转速风力涡轮的转速控制模型,建立相应的分析平台FPVS-HAWT-SCM。在此平台上为本文的小尺寸风力涡轮模型制定了转速控制策略。并结合前面建立的实验平台和数值模拟平台,发展了一套非并网定桨距变转速风力涡轮的设计方法,成功指导设计了一台额定功率为50KW适合于变转速控制的定桨距风力涡轮,并实现其在全风速工况下的转差率仅有15.63%,满足转速波动不超过20%的设计要求;第四部分探索了两套典型的适用于定桨距变转速的水平轴风力涡轮的流动控制方案。通过数值模拟方法研究了采用有气源和自引气两种叶尖喷气方案对风力涡轮性能和叶片流场产生的影响;利用FPVS-HAWT-SCM平台建立了相应方案下风力涡轮的转速控制策略,以求在更加宽泛的风速下,风力涡轮能保持较高的风能利用率的同时,其转速波动幅度不大,降低其结构上的负荷,达到更长时间的稳定工作。结果表明,在较宽的风速范围内,在叶尖中部采用有源喷气和在叶尖前部采用自引气式喷气的风力涡轮转速更加平稳,其风能利用率比较高,符合设计、改造的目的。这两种方案均为定桨距变转速风力涡轮的设计或改造过程提供了新思路。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK83

【参考文献】
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