风力机气动设计技术课件.ppt

风力机气动设计技术 刘 雄 汕头大学工学院能源研究所 一、风力机气动分析简介二、气动设计中应注意的几个问题三、控制系统对设计的影响四、风力机动态载荷仿真五、汕头大学开展的相关研究工作 一、风力机气动分析简介 二、气动设计中应注意的几个问题 1. 风场湍流模型 可以正确反映湍流时空结构的风场湍流模型和分析方法； 湍流风场对风力机疲劳载荷和极端载荷分析的作用和影响； 超大风速、强湍流度下的风力机非定常随机过程的分析方法； 有限长度湍流风样本对载荷结果的影响。 早期风力机设计假定稳态风速，并对风场剪切效应和塔影效应进行模拟。简化模型虽然可以较好地计算风力机周期性载荷，但无法计算由风场湍流引起的随机载荷； 2. 动态空气动力学 动态的工作环境，使得准稳态的叶素动量理论不再适用。 风湍流 风轮的三维旋转效应 机组的偏航、变转速、变桨运动 大型机组柔性叶片和塔架的变形和振动 气动与结构相互影响——流固耦合 4. 风力机专用翼型的气动性能 发展翼型气动数据测试技术，得到任意形状翼型的气动实测数据； 建立能适应大攻角的粘性流体N-S方程翼型分析计算模型； 研究翼型多目标优化设计方法，设计适用于风力机全工况的新翼型系列并计算其气动性能数据。 5. 叶片气动优化设计 建立能满足风力机叶片气动、结构和稳定性要求的多目标优化方法； 通过对翼型、相对厚度、弦长、扭角等外形参数沿展向的分布特性进行优化计算，得到满足气动最优的设计方法； 考虑结构和制造的工艺性要求，在保证气动性能指标的前提下，研究叶片气动外形的修正方法。 气动设计的首要目标是保证风轮在严酷的自然风条件下工作20年！ 气动优化设计 三、控制系统对设计的影响 五、汕头大学开展的相关研究工作 汕头大学是广东省 “211工程”重点建设学校。学校的建设一直得到著名爱国人士李嘉诚先生的鼎力资助。经过二十多年的努力，已具有国家重点学科、教育部重点实验室和博士学位授予权。 汕头大学能源研究所成立于1993年，主要从事大型风力机空气动力学、结构动力学的研究；风力机计算机辅助设计及软件开发；风力机建模、仿真及控制研究。有一支稳定的研究队伍。 研究所承担的国家级项目 关键部件的结构强度分析 谢谢！ 气动阻尼对叶片结构响应的影响 风力机动态气动过程分析需考虑的影响因素 风力机多体动力学模拟的有限元建模 大型风力机设计的典型过程 定转速、变转速 失速控制、变桨距控制、主动失速控制 控制系统设计的重要性 不同的控制策略对风力机的载荷有很大的影响； 设计时需要折衷考虑不同的因素； 设计时需要考虑气动和结构的影响，对控制系统进行优化。 发电运行控制——目标和折衷 额定功率以下实现最大风能转换效率； 额定功率以上恒功率运行； 避免过多的调速和变桨运动； 避免共振； 降低载荷（极限、疲劳）：避免尖峰载荷，传动链的疲劳载荷，共振时主动加阻… … 四、风力机动态载荷仿真 1. 载荷仿真的必要性 严酷的工作条件和20年的设计寿命； 机组运行过程中，自然风、风轮的气动响应和机组的结构响应相互影响； 必须获得各部件精确的极限载荷和疲劳载荷，才能得到零部件设计的边界条件。 使用全系统动态载荷分析软件，才能精确模拟风力机动态运行过程，获得精确的极限载荷与疲劳载荷。 兆瓦级风力机的维护成本 2. 全系统载荷分析软件的架构 时域风场 空气动力学 风载荷时间 序列 结构属性 传动系统和 控制系统 随机或规则 波浪 流体动力学 波浪载荷 时间序列 结构动力学 响应时间 序列 时序分析 极限载荷 疲劳载荷 常用的仿真软件 GH Bladed FLEX5, LACFlex FAST HAWC FOCUS 3. 载荷计算的相关标准 IEC 61400-1 Wind turbines – Part 1: Design requirements; IEC 61400-3 Wind turbines – Part 3: Design requirements for offshore wind turbines ; GL: Guideline for the certification of wind turbines; GL: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines 4. 符合IEC设计规范的陆上风力机载荷计算要求仿真的工况 5. 载荷输出 1. 国家自然科学基金项目“考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究”, 2011.1 2. 国家自然科学基金项目“基于柔性多体系统模型的风力机动态气动特性研究”，2008.1 3. 国家自然科学基金项目“基于动态气动力学的风力机失速特性研究”，2007.1 4. 国家科技支撑计划