15 / 2021-09-13 16:25:59

海上风力发电机叶片覆冰对于其一体化动态响应的研究

冰区风电,叶片结冰,风机一体化分析

在冰区海域中，环境湿度较大时风机叶片表面易结冰，造成风机性能降低，严重时会导致叶片断裂。基于美国可再生能源实验室（NREL）的导管架式一体化海上风机模型，将计算流体力学方法（CFD）与风机一体化分析方法进行耦合，研究叶片结冰过程及其结冰后对风机整体动态性能的影响。首先将一体化分析得到的叶片运动姿态输入到CFD中，采用离散多相模型和融化-凝固模型进行三维风机叶片覆冰增长的模拟，应用k-ε湍流模型计算结冰前后的气动性能，最终将叶片覆冰后的气动载荷结果返回到一体化分析方法中，分析叶片结冰对风机整体响应产生的影响。计算结果表明，叶片沿叶展方向结冰呈线性增加，结冰主要集中在叶片前缘，叶尖处积冰最厚；覆冰后叶片各剖面翼型升力系数降低，阻力系数升高。相同风速下，叶片结冰会降低整机功率、转子的转矩和转速，叶尖纵荡减少、横荡增加，风机达到额定功率所需风速增大。本文建立的CFD与风机一体化分析耦合方法可为覆冰状态下整机动态响应特征的研究以及冰区一体化海上风机的安全性能评估提供参考依据。