挟沙风冲蚀作用下风力机叶片气动响应机制

With the world's attention to green energy, wind power generation technology has been developed greatly in recent years. Blade is the core components of large-scale wind turbine, and the blades cost about 20% of total cost. Midwest of Inner Mongolia is one of the most abundant wind resources area in China, but due to the deterioration of the environment, in the actual operating environment of wind farms, the wind carries a lot of sand lead to severe erosion of the High-speed rotating blades, increasing friction with the air, causing the blades aerodynamic performance change during the operation, and influence the wind turbine efficiency. The project is based on elastic-plastic theory, by finite element method, using typical sand in sand-driving wind of Inner Mongolia Midwest area, combining wind tunnel tests with numerical simulation, study the aerodynamic performance changes in regularity and mechanisms of the wind turbine blade which.after erosion. Using existing erosion test equipment, based on the actual working parameters of wind turbine blades, obtain maximum lift, least resistance of airfoils and stall angle of attack under varying degrees of erosion and the sensitivity of roughness under different Reynolds conditions. Provide some basis for design of the blade under harsh environments with high blown sand.

随着世界各个国家对绿色能源的重视，风力发电技术在近几年得到了大力发展。叶片是大型风力发电机的核心部件，其成本约占风力发电机总成本的20%左右。内蒙古中西部是我国风资源最丰富的地区之一，但由于环境的恶化，在风电场的实际运行环境中，风中挟带着大量的沙粒对高速旋转下的风机叶片冲蚀磨损严重，增大了与空气的摩擦力，导致叶片运行中气动性能发生变化，影响了风力发电机效率。本项目基于弹塑性理论，通过有限元方法，采用内蒙古中西部地区挟沙风中典型的沙粒，结合风洞试验与数值模拟的方法研究风力发电机叶片冲蚀磨损后气动性能变化规律和机理。利用现有的冲蚀试验设备，基于风机叶片实际工况参数，获得不同冲蚀程度下翼型的最大升力、最小阻力和失速攻角的变化规律以及不同雷诺数条件下对冲蚀程度的敏感性，为开发适合高风沙恶劣环境下叶片设计提供一定依据。

风沙环境是较苛刻的自然磨损，大型风力发电机叶片长期处于风沙环境中运行，造成表面涂层遭受严重的破坏，气动性能发生变化。因此，掌握风沙环境下风机叶片涂层冲蚀磨损机理以及叶片受损后对叶片的气动性能影响规律和机理，为叶片维护周期确定及优化设计提供基础支撑，具有重要科学意义。本项目应用相似理论，设计、加工了1.5MW 风力机相似模型叶片，选用内蒙古库布齐沙漠沙粒建立沙粒冲蚀磨损率计算模型，基于弹塑性理论，通过有限元法研究不同冲蚀条件对叶片的磨损特性及规律以及不同载荷、不同冲蚀程度、不同材料对叶片的应力、位移的影响。利用所研制冲蚀试验设备，基于风力机叶片实际工况参数，对缩比模型叶片的前缘和压力面进行了分区域冲蚀磨损实验，结合车载实验，研究了不同磨蚀特征的风力机叶片气动性能变化规律和机理，为开发适合高风沙恶劣环境下叶片设计提供了一定理论支持。具体如下：. （1）通过对未冲蚀磨损两种材料叶片实验发现：材料的不同对叶片的载荷影响较大。在叶轮旋转过程中叶片材料密度对其所受拉应力载荷的影响比较显著，且随着风速的增加，影响程度呈增大的趋势。. （2）建立了沙粒冲蚀磨损率计算模型，通过数值模拟的方法研究了不同冲蚀参数对叶片的磨损机理，明确了不同沙尘粒径，不同来流风速和不同叶尖攻角等冲蚀条件对叶片的磨损特性及规律。. （3）通过对受损叶片进行数值模拟研究发现：冲蚀的深度和厚度对叶片应力的影响较小； 叶片材料密度增大，对叶片的应力影响较大； 冲蚀程度增大对叶片位移影响较小。 . （4）通过车载实验发现：叶片压力面前缘磨蚀特征小安装角下总体导致风电机组出力减小、输出功率减小，气动性能下降，风能利用系数在31.7°安装角下降更明显；展向半冲蚀表面特征小安装角时使风力机输出功率和风能利用系数均下降，而安装角增大后出现气动性能提高的积极效应；展向全冲蚀表面特征小安装角时体现出积极效应，而安装角增大后则引起气动性能劣化。