添加尾缘襟翼的大型风力机载荷控制研究

摘要

随着海上风电的迅猛发展，风力机大型化已经成为风电发展的必然趋势。海上风电现已有单机容量达到8MW，风轮直径达160m的巨型风电机组，未来风力发电机组的功率和直径将会越来越大。风力机尺寸的大型化，使叶片柔性增强，再加上风湍流和风切变，导致叶片局部不均匀性载荷增强；而传统的变桨控制调动整个叶片同步变桨的方式已经无法应对海上复杂多变的环境。因此，研究一种能有效降低大型风力机叶片载荷的控制技术，对延长风力机寿命和降低维护成本都有重要意义。
　　针对叶片变形所产生的非定常气动载荷控制技术，在航天航空领域已有应用，称为智能叶片技术，即通过调整翼型的几何形状，改变叶片的几何形状和物理属性，达到优化翼型气动特性、降低叶片气动载荷的目的。智能叶片于20世纪80年代开始应用于水平轴风力机上，迄今为止，已经在风力发电领域中有广泛的应用。智能叶片主要由以下几个基本部分组成：控制器，传感器，制动器以及气动装置，目前尾缘襟翼是智能叶片概念中最具潜力的气动装置之一。
　　本文首先采用Xfoil软件计算并分析了在NACA64618翼型后缘添加尾缘襟翼后对翼型气动参数的影响。然后，以美国可再生能源实验室（NREL）5MW风力机为参考风机，基于NREL系列的开源代码FAST及MATLAB/Simulink，在原参考风力机的控制模块上通过改进和重新编译源代码，添加了尾缘襟翼控制模块；并在此基础上结合基础控制器，独立变桨控制器在平均风速为12m/s的标准湍流风模型（NTM）和极限湍流风模型（ETM）风况下进行了模拟仿真。最后，为进一步提高尾缘襟翼降低整机载荷的能力，研究了尾缘襟翼参数：占弦比，偏转角度范围，展向位置和展向长度对整机载荷的影响。
　　结果表明，本文设计的尾缘襟翼控制模块不仅可以在保证功率输出的同时，降低叶片载荷，也能有效的辅助变桨控制系统，降低桨距角的幅度，缓解变桨系统疲劳与磨损。通过研究尾缘襟翼参数对整机载荷的影响，以降低叶根挥舞弯矩为目的，选取了一组既可以有效降低叶片载荷，同时也能减少驱动能耗的尾缘襟翼参数，即尾缘襟翼占弦比为0.1c，偏转角度范围±10°，展向位置70.71％， 展向长度为23.8623%，以期为实际工程提供参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章 尾缘襟翼的气动特性研究

2.1 引言

2.2 风力机翼型理论

2.3风力机翼型气动性能影响因素

2.4添加尾缘襟翼的翼型气动力系数计算和分析

2.5 本章小结

第3章 尾缘襟翼控制模块设计

3.1引言

3.2 FAST软件简介

3.3风力机控制概述

3.4 尾缘襟翼控制模块设计

3.5本章小结

第4章 添加尾缘襟翼的叶片载荷计算及分析

4.1引言

4.2叶片载荷分析坐标系

4.4尾缘襟翼参数设置

4.4 载荷计算工况

4.5 仿真结果及分析

4.6 本章小结

第5章 尾缘襟翼参数对风力机载荷的影响

5.1引言

5.2尾缘襟翼占弦比的影响分析

5.3尾缘襟翼偏转角度范围的影响分析

5.4尾缘襟翼展向位置和展向长度的影响分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

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