风能作为一种节能减排能源,成本逐渐降低,在开发和利用方面前景广阔。近年来,风力机的风轮直径、塔筒高度随着单机功率的大型化而不断增大,其所承受的来流将更加复杂。在实际运行中,风力机处于大气边界层中,除均匀流外,风剪切、湍流、低空急流等复杂来流对风力机气动性能的影响也不容忽视。已有研究表明,机舱不仅会对风力机风轮的气动性能产生一定的影响,还会与风轮的近尾流流场相互作用;再者,塔架与叶片的干涉作用会对风力机的受力特性、发电能力及寿命等产生影响,因此研究机舱与塔架对风力机气动特性的影响尤为重要。故本文以NH1500三叶片上风向水平轴风力机为研究对象,采用理论与数值模拟相结合的方法,研究了均匀流、风剪切、湍流等不同来流条件下机舱和塔影效应对上风向水平轴风力机气动特性的影响,主要包括以下几部分内容:(1)均匀流和风切变条件下,研究了机舱对水平轴风力机气动特性的影响。结果表明,机舱模型对叶片表面压力系数的影响主要表现在吸力面,且机舱模型的吸力面压力系数较大;机舱对叶片表面流动产生影响的区域主要为叶片的圆柱段、过渡段及靠近叶根的部分翼段,叶片中部及以上几乎不受机舱的影响,且机舱对叶片表面流动的影响随着风速的增大而加剧;机舱的存在,使得叶片表面发生流动分离的位置相对滞后,且风轮与机舱两种模型在靠近叶片根部的区域吸力面流动状态明显不同;机舱的存在使得气动载荷稍有增加,载荷增加幅度随着风速的增大而减小;机舱对风轮尾流的影响主要体现在轴向和径向位置,影响区域的大小与机舱的形状尺寸有关,分别以机舱的长度和高度范围为参考。当叶片位于不同方位角时,叶片前、后缘绕流和风轮前方来流会不同程度上影响机舱附近的风速,从而影响机舱上、下表面和机舱下游的流动状态。(2)分别在均匀风、风剪切和湍流等不同来流条件下,探究机舱和塔影的综合效应对水平轴风力机气动载荷的影响。结果表明,越靠近叶根位置,塔架的干涉作用越强;塔架对叶片表面压力系数的影响主要表现在吸力面,塔架的存在使得叶片表面压力系数相对减小,且叶片表面压力系数对塔影效应的响应随着风速的增大更加明显;湍流强度改变对叶片表面压力的影响并不显著,当湍流强度与塔影效应耦合时,这种影响更小;风轮旋转一周,有塔架模型的单支叶片的气动载荷在180°方位角附近达到最小值,载荷波动幅值大于无塔架模型,且发现方位角150°~210°为塔影中心区;两种模型中风轮转矩和推力的波动频率是风轮旋转周期的3倍,且风轮的载荷波动远远小于单支叶片的载荷波动;随着风速的增大,两种模型的气动载荷逐渐增大,由塔架干涉引起的载荷波动加剧;由于风轮的旋转效应,发现有塔架模型的气动载荷在塔影区前后呈现出相反的不对称性;风剪切和塔影效应都会导致载荷发生周期性波动,但塔影效应所占比重更大,风剪切和塔影效应的联合作用引起的载荷波动并不是这两者简单的线性叠加。风剪切是导致载荷变化的主要原因,且风剪切和塔影的叠加效应能够缓和载荷波动;风剪切效应会产生2°~4°的气动滞后效应;由湍流强度变化引起的气动载荷波动并不明显,当湍流强度和塔影效应耦合时,风轮气动载荷一定程度上增大,即风轮出力增大,但同时也会导致塔基和叶根等极限载荷、疲劳载荷增加,加大了风电机组部件的极限承受能力。(3)在上述三种来流条件下,探究机舱和塔影的综合效应对水平轴风力机流场的影响。结果表明:同一风速下,塔架干涉使得叶片流动分离发生的位置相对风轮模型滞后。随着风速的增加,流动分离发生的位置前移,失速区面积也逐渐增大,流动分离沿叶片展向延伸得更远。除了靠近叶根的截面位置出现了流动分离,三种不同来流条件下叶片表面其他位置基本为附着流动;通过对比可知,均匀来流与湍流条件下,叶片表面流动情况无明显差异。而风剪切条件下,叶片吸力面发生流动分离的位置较前两者滞后。总体来说,风速脉动基本不会影响叶片表面流动,而风速变化是导致叶片表面流动发生变化的主要原因;在180°方位角时刻,气流流经塔筒,形成卡门涡街,叶尖涡结构被塔架破坏,塔筒尾迹与叶尖涡、附着涡和中心涡沿径向发生掺混,流场结构较无塔模型复杂。随着风速的增加,叶尖涡涡核结构更清晰,涡核直径增大,叶尖涡序列对数增加,叶尖涡扩散的距离延长。叶根涡与附着涡开始形成,机舱尾迹区域面积沿轴向和径向增大,和叶根涡系发生掺混,塔架尾迹对叶片表面流动影响加剧;通过对比发现,在0°和180°方位角时,有/无塔架两种模型在均匀流、风剪切和湍流三种来流下的叶片涡系强度、叶片涡系与机舱尾迹的掺混程度以及叶尖涡向下游脱落的位置和耗散速度均不同。