风沙环境下风力机叶片磨损特性分析与研究

作     者：张福生 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于静梅

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：风力机叶片 DPM离散相模型 RNG k-ε湍流 沙粒 磨损率 

摘      要：叶片是风力发电机组中风能转换利用的核心部件,然而风中挟带的沙粒对叶片造成冲蚀磨损成为了风沙环境下风力机叶片使用年限降低的关键因素。本文首先借助Solidworks软件对翼型为NACA63(2)-215的水平轴风力机进行三维建模。然后利用Fluent软件中的DPM离散相模型和MRF多重参考模型相结合的方式,通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解沙粒的运动轨迹。最后研究多因素对叶片磨损率、磨损位置、沙坑磨损深度以及翼型气动性能参数的影响,并通过极差分析找出多因素影响叶片磨损特性规律。结果表明:(1)处在低风速流场的沙粒在出口位置流出时,大多分布在下半区;低转速工况下的沙粒运动状态相较于高转速更缓;受迎风方向影响,相同沙粒的运动轨迹差异明显。(2)风速因素影响下的叶片压力面磨损主要分布在相对位置为84%处的叶片中段(L-L界面),而叶片吸力面的磨损多分布在叶片的前缘;随着风速的增加,叶片表面的磨损率呈增加趋势;沙粒粒径为300μm时叶片表面磨损最为严重;粒径较大的沙粒,阻力系数相对较高;不同质量流量对叶片表面的磨损呈现出位置相同且磨损率成比例;同升力系数相比,阻力系数会随着沙粒质量流量增加略有增大。(3)叶片表面最大磨损率随着转速的增加呈现上下波动,其中最大磨损率峰值出现在15rpm;受迎风方向的影响,叶片吸力面靠近叶尖部分会出现集中磨损区域,其中磨损最严重的是正面30°,磨损位置在(0.29m,0.1m,-36.66m);5种因素在影响磨损率时的优劣排序为沙粒粒径风速沙粒质量流量转速迎风方向,磨损最严重的组合是风速为20m/s、沙粒粒径为300μm、沙粒质量流量为10kg/s、风力机转速为15rpm、迎风方向为正面30°。该论文有图60幅,表19个,参考文献62篇。