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不同风速下叶片气动性能及叶片压力分布研究
0 气动载荷特性仿真分析
风力机在自然环境中运行。风速和风速的频繁变化导致气压在风轮平面上的不均匀旋转,这导致风机输出的很大变化。在极端运行条件下,风力机的可靠性、破裂和坍塌变得困难。由于流场高速监测设备发展的滞后, 对风速动态变化下的叶片气动载荷以及尾迹流场特征的实验研究很难进行。为减小气动载荷波动对风电机使用寿命的影响, 解决风力机叶片不稳定运行出现的振动、疲劳、动态失速等安全性问题, 采用数值模拟方法获得不同风速变化阶段叶片气动性能和气动载荷分布随风速动态变化的响应特征已被高度重视, 科研人员对此进行了深入研究。
国内一些学者针对风轮空气动力学特性、风力发电机组协同控制、风力机尾迹流场特征等开展了研究。但是, 在风力机的数值模拟方面, 往往局限于风力机稳定入流条件, 不能真实地反映自然环境下的风速快速变化的特点。国外学者对于动态入流的研究起步较早, 针对风速动态变化的特点, 通过建立动态入流模型来估计叶片气动载荷
本文以动态入流的方式, 通过入口处速度函数的编辑, 建立了渐变风、阵风入流等不同变风阶段的气动载荷非稳态计算模型;研究了不同风速变化率对叶片气动性能和表面压力分布的变化特征;通过翼型截面的上下表面压差, 分析不同入流方式对于叶片展向不同位置出力效果的影响;找寻叶片所受风压载荷敏感区域, 以揭示不同变风工况下风轮转矩输出特性变化的原因。
1 计算值的值
1.1 翼型截面的同步拟合和放样
本文以某S翼型三叶片小型水平轴风力机为研究对象, 利用SolidWorks样条曲线功能进行翼型截面的同步拟合和逐次放样;通过与其他零部件的组合, 完成了叶片直径为1.4 m的风力机整机模型的装配 (图1) 。
1.2 风轮保护域风轮的确定
利用ANSYS中Geometry模块对风力机进行流场计算域的建模 (图2) 。为了不影响风轮后方尾迹流场的自由发展, 计算域风轮前后距离比采用为1∶3, 风轮前方计算域长度为1.5 m, 风轮后方为4.5 m。为了准确计算叶片的气动载荷, 网格采用分区域加密的划分方法, 尤其是对叶片表面进行了局部细化。
1.3 极端运行阵风模型确定和风速模型设定
计算域入口采用风速动态函数作为速度入口边界条件, 湍流强度默认为5%。出口边界条件设置为静压出口, 相对压力为零。风力机和计算域的壁面以及地面设置为无滑移壁面。
如图3所示, 利用测风仪在测风塔不同高度处采集风速。以中午时段夏季盛行的西南风为主要分析依据, 进行数据的分段提取和函数拟合, 得出了多段风速随时间变化曲线 (图4) 。结合风力发电规范中规定的风速模型, 确定阵风与渐变风两种典型的风工况函数模型
依据风力发电机组 (WTGS) 最低的安全要求, 极端运行阵风分为4个阶段:风速缓慢下降、风速快速上升、风速快速下降和风速缓慢上升。阵风函数由阵风加速幅值V
根据风力机的外形尺寸和实验基地实际风速变化特点设置如下:Λ
本文设定风速渐变时间为4 s, 渐变风函数切出风速为12 m/s, 切入风速为8 m/s, 额定风速为10 m/s, 风轮转速保持不变。动态入流函数曲线如图5所示。
2 结论分析
2.1 阵风加减速时风轮的输出扭矩随时间变化特征
为比较风力机在不同变风阶段功率输出特性的变化, 须得到不同风速变化率对风轮气动特性的影响, 在相同变风周期内, 提取不同时刻风轮转矩数据, 得到了不同变风阶段风轮转矩随时间变化曲线 (图6) 。
图6 (a) 为渐变风与稳定入流输出转矩对比曲线。选取工况中第2 s时刻相同风速时的转矩进行对比分析, 此时风速V=10 m/s。可以明显看到, 渐变风风轮输出转矩小于稳定入流风轮转矩。这说明风速相同时, 不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响。
图6 (b) 为阵风下风轮转矩随时间变化曲线。可以明显看到, 转矩随时间变化的4个阶段, 这与阵风入流中风速变化特征基本一致。为比较相同风速下风加速和风减速效应对风轮转矩的影响, 提取阵风入流中风速缓慢变化阶段减速时刻0.5 s和阵风加速时刻3.5 s的风轮转矩, 此时风速相同, V=9.84 m/s。由于风速变化率方向相反, 阵风加速时风轮输出转矩大于阵风减速时风轮转矩。对比风速快速变化阶段1.5 s (阵风加速时刻) 与2.5 s (减速时刻) , 可知阵风加速时的风轮转矩要大于阵风减速时的风轮转矩, 且两时刻转矩差相对于风速缓慢变化阶段明显增大。这说明在快速变风阶段, 风加速度因子较大, 使阵风加速时刻的风力机输出转矩明显提高。
通过理论分析可知, 在动态入流中, 由于来流风速一直处于动态变化, 空气中有额外的风加速度因子存在
2.2 渐变风入流对叶根生长和压力分布的影响
为研究相同风速时不同风速变化速率对叶片表面压力分布的影
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