3MW海上风电机抗台风特性研究

摘要

风能已成为目前世界上最重要的一种可再生能源，随着风力发电产业快速的发展，欧美等国海上风力发电技术已日趋成熟，而我国海上风能的开发刚刚起步，并且我国大部分海域受台风影响严重。叶片是风电机关键部件之一，叶片的气动外形决定风电机的转换效率，也是在台风中最容易被毁坏的，因此很有必要对海上风电机叶片的抗台风特性进行研究，这些工作对于我国海上风电产业的发展具有积极意义。 本文重点研究了3.0MW海上风力机的叶片气动外形设计和叶片的抗台风特性，所做的主要工作如下: 1)通过查找资料与文献研究了目前风电产业的发展情况，国内外对风力发电机叶片设计优化方法的研究，以及台风对风机的破坏机制; 2)分析了风力机叶片设计理论和叶片设计方法，通过对多种设计方案的分析对比，Wilson叶片设计方法是目前风力机叶片设计较为准确且运用最为广泛的设计方法。本文按照Wilson法优化设计风力机叶片几何外形，确定优化设计数学模型以及约束条件，以MATLAB为工具计算叶片外形各参数，综合Wilson方法考虑叶片梢部损失、根部损失和轴向、周向干扰因子对叶片空气动力学性能的影响，大大提高了叶片的设计精度和设计计算效率，并对计算结果进行线性化修正处理; 3)基于UG的自由曲面造型功能，对风力机叶片进行参数化建模，并在ANSYS中对叶片进行模态分析，得到其固有频率以及在各阶频率下的振动变形情况; 4)分析了风力发电机在台风来临时的应对措施，利用下风向风轮的自动偏航作用，在台风来临时，松开偏航刹车，依靠风力转动风轮，这样既能做到应变的准确与同步，又避免失电后偏航系统受力损坏。并基于CFD技术，建立了海上风力发电机组叶轮及流场模型，使风电机在台风来临时停机并将叶轮转至下风向，在Fluent中分析了极端风速条件下，叶片的扭转角对叶轮所受压力的影响。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 风力发电机叶片优化方法以及抗台风特性研究

1．2．1 风力发电机叶片设计优化方法研究

1．2．2 风力发电机叶片抗台风特性研究

1．3 本文研究内容

第2章 台风对我国海上风电开发的影响

2．1 引言

2．2 台风对我国陆上风电场的破坏

2．2．1 台风造成风电场破坏的原因

2．2．2 抗台风海上风电机的改进设计

2．3 上海东海大桥风电场

2．4 本章小结

第3章 风力机空气动力学理论

3．1 引言

3．2 叶素动量理论

3．2．1 叶素理论

3．2．2 动量理论

3．2．3 叶素动量理论的缺陷

3．3 叶尖损失与轮毂损失模型

3．3．1 叶尖损失模型

3．3．2 轮毂损失模型

3．4 葛劳渥特修正模型

3．5 偏斜尾迹修正模型

3．6 本章小结

第4章 风力机叶片设计计算

4．1 叶轮设计的总体参数

4．2 叶轮总体参数确定

4．3 风力机叶片翼型

4．3．1 过渡翼型

4．3．2 翼型阻力

4．3．3 翼型升力

4．4 风力机叶片的气动外形设计

4．4．1 Wilson叶片设计模型

4．4．2 Wilson叶片设计模型约束条件

4．4．3 Wilson法的计算步骤

4．5 MATLAB求解叶片外形数据

4．5．1 设计中的关键问题

4．5．2 MATLAB计算流程图

4．5．3 MATLAB计算程序编写

4．5．4 弦长线性化处理结果

4．6 叶片设计计算结果

4．7 本章小结

第5章 风力机叶片三维建模及模态分析

5．1 风力机叶片三维建模

5．1．1 绘制叶片各截面曲线

5．1．2 叶片三维模型

5．2 风力机叶轮模态分析

5．2．1 叶片有限元动力特性方程

5．2．2 叶片材料的选择

5．2．3 振动模态数值分析

5．3 本章小结

第6章 台风环境下对风电机叶片的仿真分析

6．1 引言

6．2 计算模型

6．2．1 风机气动性能的CFD湍流模型

6．2．2 模型建立与网格生成

6．2．3 数值计算方法

6．2．4 边界条件

6．3 计算结果分析及验证

6．3．1 计算结果

6．3．2 基于bladed的仿真验证

6．4 本章小结

第7章 总结及展望

7．1 全文总结

7．2 下一步工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文