Research on Investigation of Pressure Force Effect on a Wind Turbine Performance Using BEM

论文摘要

空气运动进入风力机，将会绕曲面运动并产生动力推动叶片旋转，将风的动能转化为机械能，通过连接轴连接发电机产生电力。空气动力学作为风机概念设计的主要建模工具应用叶素动量理论，用以了解风机空气动力学的基础。一维古典动量理论一直假定均匀轴向力从而给出了一个理想的最大功率，忽略了风力机受力的作用。然而，最近的研究表明，这对风力机的性能存在一定的影响。本硕士论文探讨叶片局部压力对风力机性能的影响。本文将单独介绍鼓动盘盘动量理论和叶素动量理论，并根据这两个理论确定空气动力学模型的要求。由于风机工作有失速和非失速两种工作状况，为了帮助模拟实际旋转模型，本文对分离和失速延迟的概念进行了解释。起初，根据国家可再生能源实验室的分析报告结果有一个分析准则，而有必要对现有的叶素动量理论进行修正。根据这个报告的结果应用叶素动量理论对S809翼型周围的流场进行模拟。Matlab应用古典叶素动量理论建立的包括叶片受力的模型，与国家可再生能源实验室的分析报告结果大相径庭。基于新的模型，预报了包括失速前后工况、三个主要参数的变量的风力机性能。升力系数、阻力系数、流入因子、转子功率和叶片推力系数都是参考的风力机性能参数。根据不同的风速和攻角的组合计算了这些参数。考虑了压力轴向分量的因素后，相应的曲线与古典叶素动量理论的结果进行了对比。最后，为了确定风力机轴向受力分量的影响，对结果进行了对比分析。计算结果表明，在对风压力进行考虑后，风力机的性能降低。这说明现行风力机的输出功率都被高估了。未来的风力机模型应该对这个分量进行考虑以拥有一个准确的性能评估。然而，目前的工作对于完全失速工况的计算的精确度还有一定的缺陷。此外，风动力系数的敏感性导致一些预测值，即使在失速前的状况也有一定预期的偏差。并且，涡边界元法无法考虑的叶尖区域对升力的高贡献也导致了结果在可以接受范围内的一些误差。然而，对于性能预报，相对误差分析比绝对误差要更重要。未来对于这个课题的研究，可以集中在准确数据的收集，应用一个准确的失速模型来模拟真实情况。另外，本文工作需要一个实验验证结果从而进行全面的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• Chapter1 Introduction
• 1.1 Background
• 1.2 Previous Work
• 1.3 Scope
• Chapter 2 Fundamental Theories Concerning Wind Turbine Aerodynamics
• 2.1 Momentum Theory
• 2.1.1 Froude's Momentum Theory for an Actuator Disc
• 2.1.1.1 Axial Consideration
• 2.1.1.2 Rotational Considerations
• 2.1.1.3 Tip Speed Ratio
• 2.1.2 Tip Speed Ratio and Its Relation with Efficiency
• 2.2 Blade Element Theory
• 2.2.1 Glauert's Blade Element Momentum Theory
• 2.3 Blade Element Momentum Theory （BEM）
• 2.3.1 Prandtl Tip Loss Factor
• 2.3.2 Improvement of Induction Factors
• 2.3.2.1 The axial induction factor
• 2.3.2.2 The tangential induction factor
• Chapter 3 Theoretical background regarding the Stall concept
• 3.1 Reynolds number
• 3.2 Definition of Boundary Layer
• 3.3 Relationship between Stall Phenomenon and Detachment of the Boundary Layer
• 3.3.1 Boundary Layer Pressure Distribution
• 3.3.2 Prediction of the Separation Process
• 3.3.3 Penalty of Separation
• 3.4 Stall Delay
• 3.4.1 Observation in Experimental Results
• 3.4.2 Prime Cause Responsible for Stall Delay
• 3.5 Corrigan and Schillings Stall Delay Model
• 3.5.1 Empirical stall delay Model
• 3.5.2 Application to Stall Regulated Turbines
• 3.5.3 CER rotor model
• 3.5.4 Static Airfoil Characteristics
• Chapter 4 Code Validation
• 4.1 Performance Predictions used for code validation
• 4.1.1 Baseline Blade Geometry
• 4.1.2 Reference Baseline Blade Performance Predictions
• 4.1.3 Comparison between NREL Publication Result and Code Developed
• Chapter 5 Pressure Force Influence on Blade Element Momentum Theory
• 5.1 Modification on the Classical BEM Theory
• 5.1.1 The Consequence of Mass Conservation
• 5.1.2 Modification to Classical Axial Momentum Balance
• 5.1.3 Rotational Considerations
• Chapter 6 Results and Discussion
• 6.1 Performance Predictions for NREL CER blade model
• 6.1.1 Predicted Rotor Power
• 6.1.2 Predicted Turbine Blade Thrust
• 6.1.3 Axial Induction Factor
• 6.1.4 Lift coefficients
• 6.2 Comparison between NREL CER and BEM Modified Model Prediction Results
• 6.3 Comparison between NREL CER and BEM Modified Model Rotor Power Prediction Results
• 6.4 Performance Predictions for Variable Blade Geometry Parameters
• CONCLUSION
• REFERENCES
• ACKNOWLEDGEMENTS