水平轴风力机气动阻尼特性分析与优化设计

发布时间：2020-06-07 22:53

【摘要】：在风力机系统稳定性问题日益突出并受到普遍关注的背景下,本文依托国家自然科学基金项目“基于动态气动力学的风力机失速特性研究”(项目编号:50676053)和广东省自然科学基金重点项目“基于动态气动力学的风力机失速阻尼特性研究”(项目编号:07118378),探究了与风力机系统失稳密切相关的失速气动阻尼特性。失速气动阻尼特性主要研究失速条件下气动载荷对结构振动的响应。本文首先从气动阻尼特性的基础性研究入手,对现有三维随机湍流风场模型、动态失速模型进行必要修正,从而为气动阻尼特性的研究创建准确的外部输入条件,在此基础上通过对风力机叶片翼型截面进行稳态气动力分析,同时结合整个叶片的结构动力学模态分析,创建了有效的风力机单翼型和单叶片稳态气动阻尼分析模型,并深入探究了影响翼型和叶片气动阻尼变化的各种关键参数,以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,提出了改善叶片气动阻尼性能的具体操作方法。接着,在时域分析中,将三维随机湍流风场模型仿真的时序湍流风和动态失速模型生成的叶片各截面翼型攻角和升、阻力系数随时间的变化曲线输入创建的单翼型和单叶片稳态气动阻尼分析模型,将稳态模型转换成单翼型和单叶片动态气动阻尼分析模型。进而,综合单叶片动态气动阻尼模型、湍流风场修正模型、动态失速模型、叶片结构动力学模型、整机结构动力学模态综合分析方法以及风力机全系统动态过程模型建立了风力机全系统气动阻尼分析模型,并提出了有效的气动阻尼分析方法,对基于动态气动力学的风力机失速阻尼特性和叶片动态响应进行了分析计算。以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,应用建立的全系统气动阻尼分析模型,输出结构动态载荷,并结合有限元分析软件ABAQUS,探究了叶片失速振动损坏的机理。最后,将创建的气动阻尼分析模型引入传统的风力机优化设计模型,规划了详细的抑振设计与优化流程,形成了寻求良好气动特性和失速阻尼特性风力机叶片的优化设计模型,为风力机故障诊断和抑振优化提供了有效的方法。
【图文】：

装机容量,全球,风电市场

图 1-1 2000 年—2010 年全球装机容量统计和预测Fig.1-1 Statistic and forecast of global installed capacity in the world in recently 10 years整体来看，全球风电市场发展迅速，欧洲、北美和亚洲占据了全球绝大部分的风电市场，但由于政策环境不同、全球经济发展不平衡等原因，拉美和非洲等地区的发展比较缓慢。欧洲是全球最重要的风电装备设计、生产和消费市场，但是随着市场全球化的日益加剧，其份额将比过去有所下降，亚洲和美洲风电市场增长迅速，主要由印度和中国驱动北美在总装机容量方面继续保持第二大区域市场的地位，美国是该区域重要的领头羊，并以年均约 24.6％的速度增长[3]。预计到 2010 年底将达到 31.6GW，年平均装机容量为 3GW[4]，到 2010 年底，在累积装机容量方面，美国将与德国持平。亚洲风电市场在中国和印度的领军下高速发展，已经超出人们的预测。预计未来亚洲将以全球最高的年均增长速度（约 28.3％）发展。到 2010 年底，该地区总装机容量将达到 29GW[5]，而 2007 年到 201年，印度的装机容量预计为 8000MW。拉丁美洲和加勒比海地区的风能市场也取得了令人振奋的发展，从 2007 年到 2010 年，风电市场快速发展，巴西首当其冲，墨西哥紧随其后。其他国家，如阿根廷和智利也有一定的发展。尽管拉丁美洲的潜力巨大，但是直到

风电,装机容量,年增长率

1.1.2 我国风电发展现状及预测近年来，由于国内政策环境趋好，中国风电设备制造业面临较好的政策环境，国内风电市场增速惊人，据中国可再生能源学会企业工作委员会和风能专业委员会联合发布的统计数据，2005 年—2009 年风电装机容量连续 4 年翻番。2009 年我国风电新增装机容量达 1200 万千瓦，新增容量居全球第一[7]。截止 2009 年底，我国风电并网总量累计将达到1613 万千瓦时，累计装机容量超过西班牙，上升到全球第三位[8]。2010 年预计新增装机容量达 1500 万千瓦，，同比增速将稍有回落，将会在 30%以上，2010 年底中国风电累计装机容量有望达 3000 万千瓦，装机容量将跃居世界第二[9]。图 1-2 是 2000 年—2010 年中国装机容量和年装机增长率统计及预测。随着风电机组装备市场的日益扩大，风电装备研发和生产企业日益增多，我国的华锐风电、金风科技在全球风电设备商的排名不断上升，已经进入全球前十强。截至 200年底，我国有超过 80 家的风电机组整机制造商，有超过 50 家的叶片制造商，设备市场的竞争也日趋激烈[10]。
【学位授予单位】：汕头大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK83

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