10MW级漂浮式风电机组叶片气弹特性研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yutou1888
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能源结构转型推动了可再生清洁能源的快速发展。风电作为可再生能源的重要组成部分,具有广阔的发展前景与研究价值。海上风资源丰富,海上风电成为风电行业发展的重点。随着海上风电向深远海发展,漂浮式基础体现出成本优势,漂浮式风电机组成为发展方向。漂浮式风电机组在运行过程中下会产生多自由度运动,并且随着风电机组大型化,叶片长度不断增加,多自由度运动会极大地影响了大型风电机组叶片的气弹稳定性。因此,研究大型漂浮式风电机组叶片的气弹特性具有重要意义。漂浮式风电机组在风浪流的耦合作用下存在平台六自由度运动,包括纵荡、横荡、垂荡三种平动以及纵摇、横摇、艏摇三种旋转运动,其中纵摇和纵荡运动的影响最大,同时伴随海上多变的风况,叶片的气动特性和结构动态响应非常复杂。基于自由涡尾迹法与模态法进行了数值模拟,研究了平台多自由度运动下DTU 10MW风电机组叶片的气弹特性。为了可以清晰比较单个平台运动对叶片气弹特性的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡简化为给定的正弦函数。通过与叶素动量理论(BEM)、广义动态尾流方法(GDW)以及计算流体力学方法(CFD)的对比,验证了所采用方法的可信度。研究了均匀来流条件下,不同振幅和频率的平台纵荡、纵摇运动以及两者之间耦合运动下风电机组的总体性能,分析了截面气动载荷以及叶片的弹性变形。结果表明:平台纵荡-纵摇耦合运动下,风电机组叶片的气弹特性主要受平台纵摇运动影响;平台运动会显著增大叶尖的非线性变形,振幅和频率越大,叶尖变形越剧烈,且叶尖挥舞变形大于叶尖摆振位移变形;叶片的弹性会降低风电机组的平均功率输出和所受平均推力,且功率和推力波动较平台运动存在一定的相位滞后。大气边界层会对海平面以上的垂直风速分布产生作用,改变风剪切来流下的风廓线形状,这种改变会影响风电机组叶片的气弹特性。计算了不同剪切因子的剪切风与平台纵荡、纵摇运动耦合作用下风电机组叶片的气弹特性。研究表明,与均匀来流相比,剪切来流与平台运动的耦合减小了风电机组平均功率与推力输出,并且减小幅度随着剪切因子的增大而增大;平台纵摇运动下,风剪切效应主要影响叶片中外叶展的受力,且叶片切向力系数曲线的波谷变化缓慢,在各截面均出现了切向力载荷平台;剪切来流会加剧叶片挥舞方向的变形幅值,对摆振方向的形变无显著影响,风电机组在实际运行环境中通常会面临各种复杂的非稳态条件,来流风的多变性对风电机组气弹特性的影响起着关键性作用。建立能够反映真实的大气层风况特性的湍流风速场。研究了不同湍流强度的湍流风与平台运动耦合作用下,风电机组的总体性能、叶片截面气动载荷以及叶尖的弹性变形。研究表明,与均匀风工况相比,剧烈湍流风与平台纵摇运动的耦合会降低风轮的平均功率,剧烈湍流风与平台纵荡的耦合会增大平均功率;平台运动与不同湍流强度的湍流风耦合作用会使柔性叶片内叶展的气动载荷波动紊乱;平台运动和湍流风的耦合作用对叶尖挥舞变形的影响更大,摆振变形受湍流风的影响较小。
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