1.5MW风力机气动性能研究

研制了风力机专用试验平台并进行了验证试验,在此基础上,将该试验平台应用于1.5MW大型风力机1/16缩尺模型在12m×16m低速风洞的气动性能试验研究。通过对试验结果的分析,研究获得了桨距角对风能利用系数的影响规律,分析了不同叶尖速比下风轮转速急升和骤停现象与NH系列翼型气动特性的关系。论文还将试验结果与GH B laded软件计算结果进行了综合比较分析。研究表明,该风力机最大风能利用系数高于0.492。     

台风过境全过程大型风力机风荷载特性

台风结构的复杂性导致当处于不同台风生命周期时风力机的风荷载特性差异巨大,目前针对风力机台风过境全过程风荷载的研究尚属空白。本文在总结国内外台风实测研究成果的基础上,提出了一种针对风力机的台风过境全过程风场模拟方法。以美国可再生能源实验室5MW风力机为例,系统研究了台风过境全过程大型水平轴风力机的风荷载分布特性。结果表明,本文搭建的风力机台风过境全过程风场模拟方法可有效重现台风过境时风力机的全过程风荷载特征。台风眼壁干扰阶段的风力显著大于其它台风过境阶段,需要注意的是,台风眼过后的后眼壁阶段的台风影响仍然十分显著,叶片和塔架的弯矩极值分别达到前眼壁阶段的92.83%和93.97%。此外,研究发现台风外围干扰阶段(前后)和台风眼影响阶段的塔筒底部以纵向弯矩为主,而眼壁干扰阶段存在横风向弯矩占据主导地位的情况,大型风力机抗台风设计的关注点应与正常停机工况区别对待。本文研究结论可为进一步研究大型风力机抗强台风设计提供数据输入和参考依据。     

浮式风力机运动形式对尾迹大尺度运动的影响

为研究浮式风力机尾迹在平台运动下的演化特征和机理,本文通过线性稳定性分析和大涡模拟方法,分析了浮式风力机在纵荡、横荡和艏摇三种形式下作简谐运动时的尾迹。利用线性稳定性理论,用周向波数表示了不同运动形式引起的尾迹扰动,预测了尾迹在轴对称和非轴对称两种理想扰动下的敏感频率。稳定性分析表明：当纵荡运动的无量纲频率在0.3≤St≤0.5时最易引发尾迹失稳;横荡和艏摇运动的最敏感频率在0.2≤St≤0.4范围内;在三种运动形式下,低频（St≤0.1）和高频（St≥1.0）扰动均不会明显增长。随后,利用大涡模拟研究了不同形式、不同频率的浮式风力机刚体运动对尾迹产生的影响,检验了线性稳定性理论预报浮式风力机尾迹失稳演化的能力,并比较了不同运动形式、频率下的尾迹动态特征。研究结果表明：在St=0.3条件下,远尾迹在风力机纵荡运动下出现交替的收张运动,而在横荡、艏摇状况下将发生侧向的蜿蜒,将对下游风力机施加较大的交变载荷;在St=0.1和St=1.0的各形式运动影响下,尾迹均未发生明显的大尺度运动,不会对下游风力机的动态载荷产生明显的影响。最后,从风力机尾迹演化的角度讨论了浮式风力机设计中应重点考虑的刚...     

水平轴风力机主动尾流控制综述

对于大型风电场而言,由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制（AWC）技术通过上游风力机的偏航来诱导尾流侧向偏转,以减弱对后排风力机的尾流干扰、增加风电场的总产能,应用前景极其广阔。本文从无偏航风力机尾流模型、偏航风力机尾流模型、多风力机尾流叠加方法和风电场产能优化四个角度,综述了AWC技术在过去近20年的研究进展,并对该技术走向工程应用中所亟需解决的问题进行了展望。整体来看,该项技术已经基本成熟。研究人员从最初的理论、仿真和风洞实验研究,走向了实际风电场的效果验证。在理论预测层面,高斯尾流亏损模型、基于旋涡诱导横向速度的一次和二次尾流偏转模型、具备动量守恒特性的尾流叠加方法正在成为风电场产能预测的标配。实际工程应用层面,风力机间距、排数、湍流度、大气边界层热稳定性、风向和风速变化均会影响AWC所带来的产能收益;典型条件下,应用AWC技术后,全尾流干扰风向上的风电场产能可提高约5%～15%,各个风向平均后的年均收益约为1%～3%。     

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅰ：风力机气动特性

随着世界各国纲领性行业政策的积极制定,风电行业将继续高速发展。风电机组大型化（达到多兆瓦级甚至十兆瓦级）、海洋化（从陆地扩展至海上）、智能化（辅以智能化结构、材料和控制策略）、数字化（精准预测和实时感知调控）是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务,由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象,就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨,本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因;然后,针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计（特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题）与流动控制等关键空气动力学问题,从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手,对其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论;最后对今后的研究方向进行分析与展望,为大尺寸风力机叶片设计提供参考。     

基于粒子群算法的大型风力机桨距调节计算

为了能够快速准确地对大型风力机的变桨矩进行设计,将粒子群算法应用于风力机风轮变桨距气动设计,并建立了设计计算的数学模型。以1.5MW的大型风力机为例进行了设计计算,结果表明本文提出的设计计算方法是具有一定的可行性和实用性。     

定桨距风力发电机在桨叶深失速区运行研究

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率.为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变桨距变速风力发电机相媲美的功率特性.本文采用鲁棒PID控制器设计转速控制系统,其动态响应特性符合设计要求.实验结果表明,定桨距变速风力发电机能够在设计风速范围内稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,依靠变速控制系统能够实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制.     

利用自然低温的旋转叶片结冰风洞试验系统设计

为开展风力机旋转叶片结冰风洞试验研究,设计了一种利用寒冷地区自然低温环境的具有可变截面试验段的结冰风洞试验系统。该系统在原有常规结冰风洞的基础上改进了试验段,设置了喷雾区与非喷雾区,风力机叶片实验台可设置在非喷雾区内,而旋转叶片在转至喷雾区时进行结冰测试。为测试该系统的各项参数以及研究系统的可行性,对该试验系统的3个主要环境变量:试验段速度分布、温度分布和液态水含量分布进行了测试和标定。在此基础上,进行了绕轴旋转圆柱和叶片段的结冰试验,对2个系统下的无因次结冰面积及结冰形状进行了对比分析。结果显示该系统各项参数稳定,利用2个系统得到的结冰形状相似度高,结冰面积一致性较好,表明该系统可用于进行旋转机械结冰风洞试验研究。     

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。     

风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法

利用本征正交分解(Proper orthogonal decomposition,POD)原理设计了一种针对风力机翼型动态失速的时变过程的辨识方法。首先对周期俯仰运动的风力机翼型流场的动态失速过程进行数值模拟,然后用上述方法进行了有效的辨识并从中提取了关于动态失速过程的主要模态信息。在给定的误差阈值下,分别针对浅失速和深失速的情况,将该降阶模型的辨识结果与数值计算原始结果进行了对比并对误差进行了相应的分析。结果表明,该降阶模型方法能够以明显降低的计算量精确辨识翼型的浅失速情况;对深失速的辨识会由于湍流模型的精度影响有所降低。