抗台风大型双转轮风力发电机性能研究

论文摘要

随着清洁能源日益得到重视,尤其是风力发电产业的兴起,风能的利用越来越受到各国的关注。在我国风能资源丰富,尤其是东南沿海风力资源尤为丰富,海上风力发电和沿海风力发电有着广阔的市场和发展前景。但是由于东南沿海经常遭遇台风的影响给沿海风力发电和海上风力发电带来技术上的难题。为此本课题针对目前亟待解决的风力机抗台风问题,提出了一种新型抗台风型双转轮风力发电机,并进行了性能研究。本研究首先从风功率及翼型结构流动原理出发,对升力型风力机理论进行分析,提出了双转轮风力机的设计理念。通过对双转轮风力机理论分析和模型机试验设计出了一组较好的大型双转轮风力机叶片。本研究首先从整体上对双转轮风力机进行了大空间域的非定常数值模拟计算。对双转轮风力机尾流压能变化和动能变化进行了分析,并定量的得到了双转轮风力机尾流分布,结果显示了双转轮风力机尾流影响小,风力机间干涉小的优良性能,为双转轮风力机排布及风场开发提供了良好的理论依据。针对双转轮风力机设计理念中的抗台风性能进行了研究。通过对双转轮速度三角形理论的推导分析,进行了双转轮风力机非定常数值模拟实验,分析了多工况下的风力机及两转轮流场、压力场、力矩的变化规律。数值实验及物理试验的结果均表明：微风时前转轮做功、设计风速时两转轮反向转动,两转轮出力相等、台风时(风速60m)前后转轮同向,后转轮对前转轮产生闸作用控制转速下降进而减少台风对风力机产生的破坏。双转轮风力机在强风甚至台风下的稳定性以及转轮间的干涉作用是评价双转轮风力机性能的重要指标,为此本课题对此进行了分析研究,分析了双转轮风力机前后转轮叶片的压能分布规律,以及双转轮叶片间的动翼干涉状态,塔架对风力机叶片产生的扰动影响等。通过前中后三个区域面的压能干涉分布以及转轮附近监测点动态压力脉动分析,结果显示双转轮风力机具有良好的干涉效应及能量利用特性。最后对研究室模型机的试验工作进行了介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 风力发电的发展现状
• 1.2.2 风力机研究
• 1.2.3 双转轮风力机研究进程
• 1.3 CFD技术在风力机研究中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 双转轮风力机原理及设计理论
• 2.1 风力机的基本原理
• 2.1.1 风功率
• 2.1.2 升力型风力机原理
• 2.2 风力机动量理论
• 2.3 双转轮风力机空气动力学
• 2.4 双转轮风力机翼型设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 双转轮风力机尾流非定常解析
• 3.1 双转轮风力机建模与数值分析
• 3.1.1 模型建立与网格划分技术
• 3.1.2 计算合理性验证
• 3.1.3 双转轮风力机计算与分析
• 3.2 双转轮风力机尾流能量分析
• 3.2.1 压力影响分析
• 3.2.2 出流动能分析
• 3.3 尾流影响评价
• 3.4 本章小结
• 第四章 双转轮风力机抗台风特性
• 4.1 风力机抗台风研究背景
• 4.1.1 台风过程的风特征
• 4.1.2 台风对风力机的破坏机理
• 4.1.3 风力机抗台风解决策略
• 4.2 抗台风型双转轮风力机
• 4.3 双转轮三角形理论
• 4.3.1 双转轮风力机工作原理
• 4.3.2 最优工况速度三角形
• 4.3.3 临界工况速度三角形
• 4.3.4 台风工况速度三角形
• 4.4 双转轮风力机的数值计算分析
• 4.4.1 计算条件设定
• 4.4.2 数值计算分析
• 4.5 尾流总能分析
• 4.6 双转轮风力机力矩特性和流动特性
• 4.6.1 模型机力矩试验
• 4.6.2 力矩特性
• 4.6.3 流动分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 双转轮风力机干涉及稳定性研究
• 5.1 叶片能量干涉分布特性
• 5.2 转轮面域的压力干涉
• 5.2.1 压力云图分析
• 5.2.2 监测点分析
• 5.3 模型机试验简介
• 5.3.1 风力发电机的试验平台
• 5.3.2 实验设备
• 5.3.3 试验数据采集
• 5.3.4 试验测量
• 5.4 本章小节
• 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附录