本科生毕业设计（论文）外文翻译毕业设计（论文）题目：10KW水平轴风力发电机外文题目：Criterion of aerodynamic performance of large-scale offshore horizontal axis wind turbines译文题目：海上大型水平轴风力机的气动性能标准学生姓名：董云盼专业：机自1103班指导教师姓名：金映丽评阅日期：2015年3月日海上大型水平轴风力机的气动性能标准程兆雪，李仁年，杨从新，胡文瑞（1.兰州理工大学2.力学研究所，中国科学院，北京100080，PR中国）（供稿胡文瑞）摘要:以海上风电项目为背景，本文研究大容量风力机转子的气动性、几何特性（1至10兆瓦），和主要的特征参数，如额定风速度，叶尖速度，和转子的牢固性。

研究表明，一个高性能风力发电机组的基本标准是一个可能的最高年度可用能量模式因素和以最小可能的尺寸，捕获最大风能生产的年最大功率。

我们研究影响其模式因素和在中国的海洋气象环境作用下影响风力涡轮机转子的几何形状的上述三个参数。

获得气动和几何的变化模式，分析参数，并作比较，最后形成评价大型海上风力涡轮机转子的空气动力性能的基础。

关键词:海上风电项目水平轴风力发电机转子的空气动力学设计年均的可用能源格局因素功率系数风力涡轮转子风力涡轮叶片1 引言海上风力发电是全世界风能开发的前沿技术。

西欧国家在20世纪90年代，为了探讨技术问题，开始安装大型海上风力发电机。

因为丰富的风资源，风速和风向的稳定性，和没有严格的环境保护的要求，这些国家在本世纪初制定了一系列的大型海上风能项目开发方案。

到2020年，大型海上风力发电机的整体输出将达到 150 000兆瓦。

和欧洲国家相比，美国和加拿大的内陆风能发展潜能很巨大，但是，在这两个国家也建立了总产出达1 000兆瓦的离岸风力农场。

在中国，在技术进口，吸收，自主制作的政策下，中国大陆成功地建设了许多安装有1.5兆瓦单机组风力涡轮机的风力农场（内蒙古、新疆、甘肃和宁夏的沙漠中）。

也许是因为中国仍有足够的沙漠能够继续开发风能源，制造兆瓦级风电机组技术和内陆风力发电厂的装备技术已经基本上掌握，因此海上风电项目尚不算作一项紧迫的任务。

然而，在中国一些有远见的人，已经开始着手海上风电发展的项目。

对海上风能资源已做了初步调研和分析，并且对发展海上风能项目存在的潜在挑战也已经在经济和技术上做了进一步的探讨。

其中特别指出，发展海上风电项目应该成为中国的一项迫切任务，并且海洋风电场也应尽可能快地建立起来。

为了给海上风电项目做准备，详细调查海上有利地区的风力资源就成了一个紧迫的任务。

为了确定海上风电场的候选，应该形成关于平均风速和风切变的年频率的比较精确的描述。

大容量的海上风力发电机组的主要技术问题就是巨大的建筑工程，复杂的水下地形，和相关的力学分析与研究。

当然，风力涡轮机转子的气动分析与计算也是大型海上风力发电机组的理论和技术难题之一。

根据空气动力学原理和操作方法，离岸机组汽轮机转子和陆地上的很相似。

因为海上更稳定的风速、风向和较低的风湍流，气动特性的评价可能比陆上风力机的更准确。

当然，海上的操作条件，例如大风，飓风，风浪耦合，以及严重的桅杆摆动（在浮式基础的情况下）也会带来对风力机气动特性分析的不利影响。

为了解决一些问题，如占用耕地，污染噪音，巨大风电机组零部件的装运等，为海上大容量风力涡轮机付出过多的注意是没有必要的。

人们普遍认为，大容量涡轮机转子的部件，理所当然的具有更大的尺寸。

这是绝对的吗？涡轮转子和相关部件的尺寸，主要是由风电场空气密度，额定功率，额定转速，额定风速，转子的空气动力学性能的决定的。

通过涡轮研究者的努力，最后两个参数是可以被优化的。

转子的大尺寸主要是由判断不合理的额定风速引起的。

按理来说，只要可以获得最高年发电量，在工作范围内的任何风速都可能会被视为一个额定风速。

因此，风速最高的年度分布密度或年平均风速，比前一点高，一般会作为一个额定风速，以期望获得最大的年发电量。

一般来说，这个额定速度比操作范围的上限要小得多。

当风速超过额定风速，转子的输出就会被限制为一个常数。

叶片桨距调节装置，使较高风速的能量没有完全被吸收，其较大的部分丢失了。

此外，当风速低于额定风速和叶片变桨控制是不适当的或根本不可能实现时，所述涡轮转子（功率系数）的性能将大大下降，使得风能的很大一部分也不能被吸收。

假设是以这样的方式选定额定风速的，并在同样的时间内，同样叶片桨距的情况下，使转子的空气动力性能保持尽可能高。

然后，一个更高的年发电可能是在较高风速和在低风速时，通过调节合理的桨距来实现的。

要做到这一点，就要引入一个参数“可用的能源格局的因素”，并且将在本文中介绍，以判断什么风速将使这一因素最大化，从而把风力涡轮机在最大年发电量时的风速作为设计时的额定风速。

它将会从下面的段落中引入和可用能量系数密切相关的年度风速频率（分布概率），并且在风电场和在整风条件下操作的转子的功率系数的特性是已知的。

此外，叶片尖端和固定转子的转速对功率系数的影响也是显然的，并且结果显示在在可用能量图形系数上。

为了看清真相，分析一些大容量的风力涡轮机（从1到10兆瓦）的三个关键因素是空气动力学和几何参数（影响额定或设计风速、叶片尖端的圆周速度的因素作为调查重点，并且转子牢固）以及涡轮转子的几何特性。

我们找到了一种使风力发电机产生最大年发电量时，转子处于最小尺寸的方法。

预计，本文的研究是对海上风能项目的开发是有用的。

2 每年的可用能源格局因素因为离岸风能转换器大容量的特征，其转换效率稍加改进，一方面，将导致它们的功率输出增加很多，另一方面，由于其巨大的尺寸，各种负荷也将增加，其结果是，使它们的结构的尺寸和成本也将相应地增加。

因此，它们的风能吸收能力的提高和单位发电能力与结构尺寸的比率的提高会带来相当大的经济利益。

目前，水平轴风力涡轮机的第一选择是作为一个离岸风能转换装置。

从上述的两个观点来看，空气动力特性的参数应由下列原则术语来确定：每年的可用能量图案因子（Ku）与转子最佳的功率系数（CP），使得其直径（D）尽可能地小，使其旋转速度（n）尽可能高，并采取适当的转子密实（σ）。

显然，）直接相关的是，选择所用叶片部分的翼面，叶片尖和设计或者额定风速（V），和转子（z）的叶片的数目。

端的圆周速度（U分析和评价可用能源格局因素时，选择如下必要离岸气象数据：（1）年平均气温TAVE=15 ◦C，大气压力Pa=1.0个大气压，空气密度ρ=1.225千克/立方米，和空气ν运动粘度=1.46×10-5米2 /秒。

（2）每年的风频特性：采用威布尔风速概率分布为中国的海上风频率特性，其中尺度参数取为c=7.9（对应于7米/秒，在10米的海拔高度的年平均风速），形状参数取为K =2.0，如图1所示。

（3风切变的特点：α=0.115的指数函数取为指定风速的垂直变化的图案，如图2所示）。

图1每年的风概率密度在中国的海上风电场的特点图2 风切变在中国的海上风电场的特点每年的可用能源格局的因素Ku被定义为：其中CP0是在额定条件下操作的转子的功率系数，V额定风速，T一年中在额定风速以上的小时数，和Toff是在一年中数目在风速高于截止风速的时间。

因此，前者在术语上是右边分子的表达。

（1）表示通过高风条件下运行的转子吸收的风能的一部分。

分子中后半期，CP 处于风操作额定（Ⅴ<V）速度小于转子转速的功率系数，TST是一年中当风速大于所述切入风速的小时数。

这个分母表示了整整一年的可用风能的风电场的参考因素。

涡轮转子具有良好的气动性能，应尽可能高的使每年可利用的能量模式因子尽可能在其整个工作范围（VST <V <Voff时）。

为了使涡轮机处在低风速高功率系数的（CP ）的操作下（Ⅴ<V），使输出功率只限于在高风速下（Ⅴ其额定电平（P0）> V），所述转子叶片处在控制整个操作范围内。

桨距控制系统的输出功率作为其反馈，叶片桨距没有规定在低风速，导致过度的低功率系数（CP）。

在桨距控制系统中，风速作为其反馈，叶片桨距可以在整个工作范围内调节，使得不仅功率输出可以被限制到高风速条件下，而且功率系数也可以保持在低风速下。

式（1）具有独立形式是有利的其中，N是离散风速在操作范围内的数目和Fv（k）年度概率密度风速V（k）。

Fv（k）可能来源于风速年度频率的特性。

如上所指出的，在工作范围内的任何风速可作为额定风速来设计涡轮机。

然而，只有选择了优化后的Ku作为目标函数才是适当和有利的额定风速，因此额定风速最高年发电量才能确定。

所有的时间变量（T）的公式。

（2）可以用风速的年度频率特性来确定。

但是功率系数（CP0，CP），是根据如式所采用的额定风速和桨距控制方式进行说明。

（3）在下面的段落，风速优化和转子的空气动力学优化处理，实际上是在同一时间内完成的。

3 转子的空气动力学性能及其分析转子的空气动力学优化在文献[8]中给出的方法用于具有三个叶片和5倍额定容量（从1到10兆瓦）的风力机。

该方法设置线性涡流气动模型，相应地导出具有有限评估涡轮机转子的叶片参数和诱导速度以及在转子叶片上的空气动力负载。

然后，转子的动力和推力系数的形式给出如下[8]：其中循环Γ和半径r，r在其量纲形式中表达。

在两个Cp和其相关的Ku作为目标函数的前提下优化几何和空气动力学特性参数。

风力涡轮机用指定公认空气动力性能良好的的S系列翼型作为叶片部分。

为了获得一个更高年度可用能量因子（Ku），叶片末梢（U）的圆周速度是专门给定100米/秒（与马赫数为约3.0）。

为了避免空气压缩的不利影响，85或更少的值是常见的陆地上的风力涡轮机使用的数值。

用固定转子（σ）给出的比0.08级更高一点级的数来获得更高的功率系数。

该风力涡轮机具有五个不同的输出功率，最优的年度可用能量因子的主要的空气动力学和几何特性参数于表1中。

为了分析额定风速对Ku的影响，额定速度的九个值被任意地指定，以评估一个2兆瓦转子的空气动力性能。

其结果列于表2和图3所示。

对于有6任意周向速度的10兆瓦风力机转子，Ku对叶片尖端的圆周速度影响的计算的结果将表3和图4中表示.最后，Ku对转子牢固度上的影响的评价的结果将在表4和图5中表示表1风力涡轮机转子的主要空气动力学和几何参数4结论经过前面的讨论和分析后可以形成以下结论：（1）以大于年平均风速的风速，或者最大年度频率风速作为额定风速的风力发电机组设计的关键技术手段是增加年发电能力和减少风力涡轮机尺寸。

这一结论成立的前提是低风况下合理的桨距控制，使转子的功率系数尽可能地高。

（2）根据海上环境的特征，海上风力涡轮机多采用较高的叶尖速比。

虽然压缩空气可能带来的噪声增大，但是风力涡轮机不仅年发电能力会增加，而且本机的尺寸也将减小。