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水平轴风力机偏航与翼型动态失速的数值模拟

水平轴风力机偏航与翼型动态失速的数值模拟

作者：周强华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

能源问题是人类社会发展的关键问题,如何有效地利用能源是世界各个国家需要解决的核心问题。可再生能源逐渐受到全球各国的重视,特别是风能,发展十分迅速。由于对能源的需求越来越大,随着风能利用技术的发展,风力机大型化趋势明显,偏航... 详细信息

能源问题是人类社会发展的关键问题,如何有效地利用能源是世界各个国家需要解决的核心问题。可再生能源逐渐受到全球各国的重视,特别是风能,发展十分迅速。由于对能源的需求越来越大,随着风能利用技术的发展,风力机大型化趋势明显,偏航工况是水平轴风力机运行中存在的一种典型动态工况。深入研究大型风力机在偏航工况下风轮的气动性能,对提高风力机功率的预测精度以及风力机的安全运行至关重要。本文具体研究内容如下:本文首先介绍了偏航、动态失速、流动控制与涡发生器的基本知识,阐述数值方法的基本原理。在分析问题之前,先验证了数值方法的有效性,保证了后续分析的可信性。通过对Tjaereborg 2MW风力机以及NREL 5MW风力机风轮在不同偏航角下的气动特性进行分析,与轴流工况相比,偏航时功率平均值并非以cos3β的规律下降,风轮推力基本以cosβ的规律下降。偏航运行时,风轮特性（如功率,推力）在旋转周期内呈现3P波动特性,偏航角越大,波动幅值越大。偏航来流在风轮平面的速度分量产生的二次流动会影响叶片主流流动,与偏航角大小和方位角有关。偏航角越大,影响越明显。二次流动在不同方位角下引起气动性能动态变化。风力机根部翼型攻角较大,偏航工况下攻角处于动态变化过程中,容易出现动态失速现象。研究发现,由于钝尾缘后的分离涡与分离区的分离涡掺混,使得基础翼型攻角减小的过程中,翼型的气动参数不随攻角减小而单调减小,而是呈现一定波动性和周期性,通过涡发生器这种被动控制方法,可以提升翼型的动态气动性能,在攻角减小的过程中可以有效控制流动分离,气动参数不再波动。

关键词：风力机偏航动态失速涡发生器

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对某型航空火箭弹偏航问题的分析研究

弹箭与制导学报 1995年第3期15卷 32-36页

作者：曹健民赵建平李健国营华山机械厂

对某型航空火箭弹在作战训练中多次发生的弹道偏航问题进行了分析研究和实际射击试验，采取了一些改进措施，收到了良好效果。其结论对同类产品的工程设计有一定的参考价值。

关键词：航空火箭弹道控制偏航射击试验火箭弹

低风速复杂地形下的风机偏航变桨控制策略研究

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低风速复杂地形下的风机偏航变桨控制策略研究

作者：陈志昊贵州大学

学位级别：硕士

随着沿海及西部高风速区风能开发逐渐饱和,人们也渐渐开始利用低风速区风资源。贵州地区属于低风速区,受复杂地形影响,风况变化频繁且变化幅度较大。若将传统高风速区偏航与变桨控制策略应用在贵州地区,极易出现频繁偏航而无法稳定运行... 详细信息

随着沿海及西部高风速区风能开发逐渐饱和,人们也渐渐开始利用低风速区风资源。贵州地区属于低风速区,受复杂地形影响,风况变化频繁且变化幅度较大。若将传统高风速区偏航与变桨控制策略应用在贵州地区,极易出现频繁偏航而无法稳定运行。因此,需研究一种适用于贵州地区的偏航与变桨控制策略。本文首先根据贵州风况特点建立合适的风况预测模型。对贵州地区风况数据进行分析,得出贵州风况特点及其风速与风向的分布情况。将奇异谱分析（SSA）与长短期记忆（LSTM）结合成用于贵州低风速区风速预测的混合模型,对比传统LSTM与BP预测算法在精度上有显著提升;提出一种正余弦分量预测后修正复原风向方法,保证风向0度与360度数值上的连续;针对多变风向,提出将聚类加入SSA-LSTM混合模型中,仿真表明相较于SSA-LSTM,SSA-聚类-LSTM模型的风向预测误差总体下降了20%左右。基于风况预测提出一套适合于贵州风况的偏航与变桨联合的控制策略。根据空气动力学建立了风机获能模型;提出一种基于预测风况的偏航控制策略,其核心判据为偏航所需时间及获能情况;建立风机模型,在ANSYS中模拟低风速区偏航与变桨同时动作,仿真表明复杂风况下同时进行偏航与变桨动作,应力集中于轮毂处且明显高于不同时动作;在满足风机获能的前提下,为减小因低风速区经常同时进行偏航变桨动作而对风机寿命产生影响,提出一种错开偏航动作的变桨控制策略。对提出的偏航与变桨联合控制策略使用贵州某地风况数据进行仿真,结果表明其风机获能明显高于传统偏航变桨控制策略,且基本未出现绕缆停机状况。最后,研究最优低风速偏航变桨联合控制策略及其在贵州其他不同风况下的适应性。基于提出的偏航与变桨控制策略,通过正交试验分析策略中各参数对风机获得的影响,获得最优协同控制策略。将优化后的控制策略使用贵州其他多个地区不同风况数据进行仿真,结果表明提出的低风速偏航变桨协同控制策略均能较好的适应贵州不同低风速风况,且在风况波动较大地区获能明显高于传统控制策略,而在风况波动较小地区并未表现出显著优势。

关键词：风力发电机风况预测偏航变桨复杂地形低风速区

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基于激光雷达的风力机偏航误差纠正策略

科学技术与工程 2018年第32期18卷 184-188页

作者：高鑫中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北分公司西安710077

在分析了现有测风系统不足的基础上,通过风洞实验验证了不同入射角来流风速对风速仪测风的影响,证明了现有风速测量的不准确性。在此基础上提出了激光雷达风轮前方测风系统,根据电量损失的百分比和偏航误差的余弦平方关系曲线,通过在风... 详细信息

在分析了现有测风系统不足的基础上,通过风洞实验验证了不同入射角来流风速对风速仪测风的影响,证明了现有风速测量的不准确性。在此基础上提出了激光雷达风轮前方测风系统,根据电量损失的百分比和偏航误差的余弦平方关系曲线,通过在风电场安装激光雷达,收集激光雷达和现有测风系统(机舱后方气象架和测风塔)的风况数据,对数据进行相关性及拟合分析,得出现有测风系统所测量风向的偏差值。通过在人机界面(HMI)中修正此偏差值可以减少功率损失。

关键词：风力机激光雷达偏航功率

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风力发电机智能偏航控制系统研究

风力发电机智能偏航控制系统研究

作者：张慧宁东华大学

学位级别：硕士

电能作为一种应用最广泛和最方便的二次能源,己经成为当今社会发展必不可少的条件。随着社会经济的发展,人们对电能的需求量也不断的提升。风能作为一种可再生资源,已经越来越受到人们的重视。在众多的可再生能源中,目前发展最快、商业... 详细信息

电能作为一种应用最广泛和最方便的二次能源,己经成为当今社会发展必不可少的条件。随着社会经济的发展,人们对电能的需求量也不断的提升。风能作为一种可再生资源,已经越来越受到人们的重视。在众多的可再生能源中,目前发展最快、商业化范围最广、最为经济的,当数风力发电。风力发电机的控制系统和偏航机构本身都存在一定的滞后性,当风向和风速频繁变化时,风机叶轮迎风面无法准确对准风的来向,随之而来的系统对风的跟踪失效问题会影响风力发电机的效率。风向和风速频繁变化也会导致偏航机构频繁动作,使机械损耗加快,从而影响偏航机构的寿命。此外控制器无法方便参数设置,风机的运行状况也无法方便的实时进行监控。这一系列的问题都给风力发电系统带来了影响,研究和解决这些问题具有深远的意义。为解决这些问题,本文设计了一种基于优化卡尔曼滤波偏航控制算法的控制器,对风向量进行预测,并利用小时间尺度范围内风向在一定范围内作周期性变化的特性,对结果进行优化。该系统能够在一定程度上预测风速和风向的变化,使得偏航机构能够提前动作,消除控制器和系统的滞后性,从而使风机能够准确对风,提高发电效率,又能够解决因为风速和风向的频繁变化引起的偏航机构频繁动作的问题,降低机构的动作频率和幅度。同时系统还具有一定的鲁棒性,能够在环境参数发生变化时保持系统的稳定性。仿真结果表明,该控制方法使偏航系统的性能得到明显改善。随后本文对风力发电智能偏航控制系统进行了基于ARM内核的三星S3C2440AL处理器的硬件设计,并对通信部分进行了设计,随后基于WINCE平台给出了系统软件实现,包括人机界面,使系统能够方便的进行参数设置,并可以实时的监控风机的运行状况。

关键词：风力发电偏航预测控制优化卡尔曼滤波

多种航行条件下潜航器的偏航运动及其水动力特性研究

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多种航行条件下潜航器的偏航运动及其水动力特性研究

作者：张思聪兰州理工大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,人们对海底、湖泊的探索越来越多,所以潜航器等水下探索工具越来越受国内外学者的关注,国内外的学者对潜艇运动的研究主要集中在动力学特性和运动状态这两方面。水下潜艇在航行时有大量的平面偏航运动,这些运动的实现基... 详细信息

随着科技的发展,人们对海底、湖泊的探索越来越多,所以潜航器等水下探索工具越来越受国内外学者的关注,国内外的学者对潜艇运动的研究主要集中在动力学特性和运动状态这两方面。水下潜艇在航行时有大量的平面偏航运动,这些运动的实现基于准确的动力学参数。本文以螺旋混流式泵喷推进器为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对泵喷推进潜航器的偏航运动进行数值计算。为了研究潜航器在不同运动形式下的动力学特性,本文首先通过改变潜航器的偏航角度,得出了偏航角度与潜航器受力的关系,然后对比分析不同直航加速状态下动力学参数的变化规律;其次改变尾舵舵角度数,计算并分析泵喷推进器在不同偏航运动状态下的力特性变化规律。本文主要的研究结论如下:（1）对泵喷推进潜航器不同偏航角下的力特性展开分析,研究表明:当推进器的航速一定时,即雷诺数处于阻力平方区时,阻力系数不随偏航角度的增大而变化。侧向力与偏航角度成正比,升力与偏航角度成反比。（2）通过滑移网格技术,模拟在一定时间步长内,潜航器运行情况。计算结果表明随着潜航器沿着Z轴方向运动,潜航器尾部外表面高速区域范围不断减小,同时尾部负压范围不断增大;潜航器指挥台表面附近的低速范围不断增大。（3）通过在不同工况对泵喷推进器偏航运动力特性展开研究发现:阻力系数的变化规律与直航运动相似;舵角、航速是影响泵喷推进器阻力特性的主要因素。当尾舵舵角为10°、20°和30°时,潜航器受到侧向力分别约为0°舵角侧向力的6倍、12倍和16倍。而在不同航速阶段,阻力的影响因素不同。（4）泵喷推进器受到的总推力随转速呈接近抛物线趋势增长,说明转速是影响总推力的直接因素;转速与舵角以及偏航角度直接影响侧向力,侧向力的增长趋势与上述三个航行条件成正相关。

关键词：尾舵螺旋混流泵变加速度偏航动力学特性

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交叉圆柱滚子型偏航轴承结构优化设计

交叉圆柱滚子型偏航轴承结构优化设计

作者：徐峰大连理工大学

学位级别：硕士

交叉圆柱滚子轴承作为一种重要的回转支承型式,在工程机械中得到了广泛的应用。而在风力发电机专用轴承中,这种型式的轴承应用较少,因此有必要对交叉圆柱滚子轴承应用于偏航轴承作进一步的分析研究。本文采用静力学方法和有限元法,对交... 详细信息

交叉圆柱滚子轴承作为一种重要的回转支承型式,在工程机械中得到了广泛的应用。而在风力发电机专用轴承中,这种型式的轴承应用较少,因此有必要对交叉圆柱滚子轴承应用于偏航轴承作进一步的分析研究。本文采用静力学方法和有限元法,对交叉圆柱滚子轴承的载荷分布和承载性能等进行研究,利用遗传算法对影响轴承承载能力的参数进行优化,为交叉圆柱滚子型偏航轴承的结构设计提供理论基础。首先,介绍了国内外风力发电机及配套轴承的设计制造现状、发展趋势以及偏航轴承的作用和特点;简要阐述了偏航轴承及交叉圆柱滚子轴承的研究现状。其次,对交叉圆柱滚子轴承的结构特点、承载特性及其实际应用进行了阐述,建立了轴承的几何模型,描述了轴承滚动体、滚道、内外圈的几何特征以及三者之间相互位置关系;推导了线接触的两物体接触载荷、变形量及接触刚度之间的关系;以几何模型为基础,根据滚动体与滚道之间接触载荷与变形量的关系,以内圈形心三个坐标轴方向的位移及绕X轴、Y轴倾角为未知量,建立轴承的五元非线性平衡方程组,即轴承的力学模型。然后,利用牛顿—拉夫逊迭代法对轴承的力学模型进行求解,结合算例,分析了轴承分别承受径向力、轴向力、倾覆力矩及联合载荷作用时的载荷分布规律;建立了偏航轴承的有限元模型,通过有限元模型与力学模型结果的对比分析,对力学模型的正确性进行了验证。最后,研究了轴承游隙、初始接触角、滚动体直径及数量和两排滚动体的数量比对轴承承载能力的影响规律,给出了有利于提高轴承承载能力的结构参数取值范围。以上述结构参数的范围为约束,以轴承的额定静载荷为目标,利用遗传算法,对轴承游隙、初始接触角、滚动体直径及个数进行了优化。

关键词：交叉滚子轴承偏航载荷分布结构优化

风力发电机滑动轴承偏航系统动态特性仿真研究

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风力发电机滑动轴承偏航系统动态特性仿真研究

作者：张家旗华北电力大学

学位级别：硕士

随着全球环境的不断恶化,煤炭、石油等含有严重污染物的能源迫切的需要清洁能源来替代。风力发电作为一个较为成熟的技术,立刻受到了人们的重视。近年来,陆上风力发电机的安装空间几乎近饱和状态。因此,风机技术向前发展需要使风力发电... 详细信息

随着全球环境的不断恶化,煤炭、石油等含有严重污染物的能源迫切的需要清洁能源来替代。风力发电作为一个较为成熟的技术,立刻受到了人们的重视。近年来,陆上风力发电机的安装空间几乎近饱和状态。因此,风机技术向前发展需要使风力发电机大型化。偏航系统作为风力发电机的重要组成部分,其作用是保证风可以正吹风轮表面。随着风力发电机大型化发展,偏航系统将面临着承载更多载荷的情况,针对这种情况,本文参考美国可再生能源实验室所提供的5MW海上单桩式风力发电机数据,在FAST软件中建立风力发电机模型。对比滚动轴承和滑动轴承的优缺点,选择出更适合于大型风力发电机的偏航轴承。通过IECWind和Turbsim软件生成了风速文件,给出了特定工况下风速时域的仿真曲线。以5MW风力发电机为研究对象,仿真了其正常发电的过程,研究了几种工况下,风力发电机偏航轴承载荷变化规律。计算了滑动偏航轴承的摩擦力矩,从而得到偏航总驱动力矩。分析了偏航驱动力矩变化特点,为偏航控制系统的设计提供依据。最后确定偏航速度的判定方法,并以其为基础,使用FAST与Simulink的接口,设计了变速偏航控制模型,并在同种风速条件下对比变速偏航控制模型与两种固定偏航模型在正常发电过程中的仿真结果,对偏航系统寿命提高及安全运行具有重要的意义。

关键词：风力发电机偏航动态特性 FAST Simulink 滑动式偏航轴承

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典型热带气旋对偏航风力机尾流及载荷影响

典型热带气旋对偏航风力机尾流及载荷影响

作者：赵小荷兰州理工大学

学位级别：硕士

我国东南沿海地区有丰富的海上风资源,发展海上风电技术能够有效缓解沿海地区的电力负荷大的问题。但因为地理位置原因,我国沿海会受频繁登陆的热带气旋影响,对该地区的风电场建设与运营产生影响。因此分析研究热带气旋下风力机的载荷... 详细信息

我国东南沿海地区有丰富的海上风资源,发展海上风电技术能够有效缓解沿海地区的电力负荷大的问题。但因为地理位置原因,我国沿海会受频繁登陆的热带气旋影响,对该地区的风电场建设与运营产生影响。因此分析研究热带气旋下风力机的载荷有着重要的理论意义和实际的工程价值。本文首先简化构建了可以用来表示热带气旋主流方向上的风场模型,然后开展了对典型热带气旋作用下单台NERL 5MW风力机偏航时的尾流特性和载荷变化特性的研究,分析不同偏航角时风力机尾流和载荷的变化规律。（1）以NREL 5MW风力机作为研究对象,基于Open FOAM软件,研究在20m/s均匀来流时,风力机未偏航、偏航15°、偏航30°、偏航45°时尾流的速度特性和湍流特性;以及在典型效益型热带气旋来流时,风力机未偏航、偏航15°、偏航30°、偏航45°时尾流的速度特性和湍流特性。通过研究发现,同一偏航角下,热带气旋对风力机尾流速度和湍流强度的影响远远小于热带气旋本身所携带的风速和湍流强度对其影响;同一来流下,风力机尾流速度和湍流强度变化量随偏航角的增大而减小,且未偏航时尾流速度和湍流强度沿风轮中心线对称分布,偏航时则非对称。（2）以NREL 5MW风力机作为研究对象,基于FAST软件,研究在均匀来流和典型效益型热带气旋来流时,风力机未偏航时的各个载荷;以及在典型破坏型热带气旋来流时,风力机顺桨停机状态时的各个载荷。通过研究发现,效益型热带气旋来流条件下的风力机的各载荷幅值波动都大幅增加。破坏型热带气旋来流条件下停机的风力机的俯仰力矩和挥舞力矩幅值波动更大,效益型热带气旋的摆振力矩幅值波动更大,风轮推力更大,风轮推力幅值波动基本相同。（3）研究在20m/s均匀来流和典型效益型热带气旋来流时,风力机未偏航到偏航45°各工况时的各个载荷;以及在典型破坏型热带气旋来流时,风力机未偏航到偏航40°不同停机状态时的各个载荷。通过研究发现,随着偏航角的增大,均匀来流下的各载荷周期和幅值都会增大;典型效益型热带气旋时,偏航角的增大对各载荷周期和幅值影响小,对叶根摆振力矩和低速轴转矩均值影响小,对挥舞力矩和偏航力矩均值影响大。典型破坏型热带气旋时偏航10°以内对风力机载荷的影响小,10°以上随着偏航角度的增大,各载荷均有大幅度提升。

关键词：热带气旋风力机尾流气动载荷偏航