【摘 要】
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当今社会面临着严峻的能源和环境问题,寻找绿色环保的可再生能源已成必然趋势。风能作为一种可循环利用的清洁能源,已逐渐引起人类的关注,风力机发电必将蓬勃发展。风力机经常运行在风沙环境中,风力机叶片会受风沙流的冲击而产生磨损,影响风力机的气动特性,使风力机的发电量降低。本文以NREL Phase VI风力机叶片的缩比模型为研究对象,研究风沙流对风力机叶片磨损及气动特性的影响。分析不同叶尖速比、不同颗粒直
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当今社会面临着严峻的能源和环境问题,寻找绿色环保的可再生能源已成必然趋势。风能作为一种可循环利用的清洁能源,已逐渐引起人类的关注,风力机发电必将蓬勃发展。风力机经常运行在风沙环境中,风力机叶片会受风沙流的冲击而产生磨损,影响风力机的气动特性,使风力机的发电量降低。本文以NREL Phase VI风力机叶片的缩比模型为研究对象,研究风沙流对风力机叶片磨损及气动特性的影响。分析不同叶尖速比、不同颗粒直径、不同颗粒形状对风力机叶片磨损及气动特性的影响;叶尖三维效应对叶尖磨损特性的影响。主要结论如下:(1)叶尖速比对风力机叶片磨损特性的影响。随着叶尖速比的减小,压力面磨损区域沿叶片展向从叶尖开始逐渐向叶根扩散,沿弦向从前缘开始逐渐向尾缘扩散,且磨损程度逐渐减小。叶尖速比同样对叶片的吸力面影响显著,随着叶尖速比的减小,吸力面的磨损区域更集中于前缘位置,其他位置几乎不发生磨损,且叶片前缘位置的磨损量也逐渐降低。(2)叶尖速比对风力机气动特性的影响。随着叶尖速比的减小,风力机的功率变化趋势为先上升后下降。当加入50μm的颗粒后,风力机的功率随叶尖速比的变化趋势与清洁空气相同,但颗粒的加入使风力机的功率略有下降,在λ=4时的功率损失最小,可达0.069%;在λ=8时的功率损失最大,可达0.325%,总体影响较小。随着叶尖速比的变化,风力机的中心涡发生明显改变,当λ=4时,在距风轮平面1D处的中心涡呈“S”形分布,随着距离风轮平面越远,尾涡不断耗散、膨胀。(3)颗粒直径对风力机叶片磨损及气动特性的影响。随着颗粒直径的增大,磨损区域沿叶片弦向从叶片前缘逐渐向尾缘扩散,沿叶片展向从叶尖逐渐向叶根扩散,且从叶尖向叶根呈一条条斜线贯穿叶片压力面。相较于清洁空气,当加入小粒径的颗粒时,风力机的功率呈下降趋势,对风力机的功率损失影响较大,最大可达1.539%;当加入大粒径的颗粒时,风力机的功率呈上升趋势;当颗粒粒径大于50μm时,风力机的功率随颗粒粒径的变化幅度非常小;当颗粒直径为100μm时,对风力机的功率损失影响较小。(4)颗粒形状对风力机叶片磨损及气动特性的影响。相较于球形颗粒,非球形颗粒对风力机叶片造成的磨损程度更大;对于非球形颗粒,立方体颗粒和八面体颗粒对截面翼型产生的磨损程度更为显著;但颗粒形状的改变几乎不会影响叶片的磨损区域。随着形状因子的增大,风力机的功率呈上升趋势,非球形颗粒对风力机造成的功率损失最大约为0.233%,但总体影响较小。(5)叶尖三维效应影响风力机叶尖处的磨损量。磨损量从叶根到叶尖逐渐上升,但从风力机叶片沿径向位置约0.986R处,受叶尖三维效应的影响磨损量呈下降趋势。
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