风力发电机组气动特性分析与载荷计算.docx

1、风力发电机组气动特性分析与载荷计算风力发电机组气动特性分析与载荷计算1前言 22风轮气动载荷 22.1动量理论 22.1.1不考虑风轮后尾流旋转 22.1.2考虑风轮后尾流旋转 32.2叶素理论 42.3动量叶素理论 42.4叶片梢部损失和根部损失修正 62.5塔影效果 62.6偏斜气流修正 62.7风剪切 63风轮气动载荷分析 73.1周期性气动负载 错误！未定义书签。4.1载荷情况DLC1.3 104.2载荷情况DLC1.5 104.3载荷情况 DLC1.6 104.4载荷情况 DLC1.7 114.5载荷情况 DLC1.8 114.6载荷情况 DLC6.1 111前言风力发电机是靠风轮吸

2、取风能的，将气流动能转为机械能，再转化为电能输送电网，风力机气 动力学计算 是风力机设计中的一项重要工作。特别是对于大、中型风机，其意义更为重大。风力机处于自然大气环境中，大 气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏风)和塔影效应等，这些现象使叶片受到非常复杂气动载荷的作用，对风力 机的气动性能和结构疲劳寿命产生很大的影响。对一台大型 风力发电机组来说，除风轮叶片产生机组的气动载 荷外，机舱和支撑风轮和机舱的塔筒也产生气动载荷，这些都对机组的载荷产生影响。2风轮气动载荷目前计算风力发电机的气动载荷有动量一叶素理论、 CFD等方法。动量一叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶

3、素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼 型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩， 然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量一叶素理论形式比较简单，计算量小， 便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计和性能计算，而且还用来确定 风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。 CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟，从物理意义上说，数值求解 NS方程的CFD方法应该是最全面准确计算风力机气动特性的方法。但是，由于极大的计算工作量，数值计算的稳定性等原因， 目前CFD求解

4、NS方程方法还远不能作为风力机气动设计和研究的日常工具。作为解决 工程问题的工具还不 太实际。为此在计算中应用动量一叶素理论方法来计算机组的气动载荷。2.1动量理论动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成机械能，但是它究竟能够吸收 多大的风的动能就是动量理论回答的问题。下面分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用 动量理论。2.1.1不考虑风轮后尾流旋转首先，假设一种简单的理想情况：(1 )风轮没有偏航角、倾斜角和锥度角，可简化成一个平面桨盘；(2 )风轮叶片旋转时不受到摩擦阻力；(3 )风轮流动模型可简化成一个单元流管；(4)风轮前未受扰动的气流静压和

5、风轮后的气流静压相等，即 p.= p2；(5)作用在风轮上的推力是均匀的；(6)不考虑风轮后的尾流旋转。将一维动量方程用于风轮流管，可得到作用在风轮上的轴向力为(1)(2(3 )(4(5、(6T = mM - V2)式中m为流过风轮的空气流量m = PAVtT于是T = ?AVr U而作用在风轮上的轴向力又可写成T 二 A p” p_由伯努利方程可得,，2/2 + pi =Wt2/2 + P*PV22/2 + p2二叫引2十卩.根据假设p.= P2, ( 5)式和(6)式相减可得(13)V2=0时，a有一个最大值1/2，但实际情况不可P)等于风轮前后气流动能之差(13)式表示，如果风轮全部吸收

6、风的能量，即 能这样，所以av 1/2。根据能量方程，风轮吸收的能量(即风轮轴功率(14)(15)P = mM2/2 V22/2 ) = PAVt 2； /2 -V22/2) 将(9)式、【10)式代入(14)式，可得P = 2认乂纭门印2当dP/daA0时 P出现极值则dP da =2 rAV/1-4ai 3a： = 0 ( 16)a = 1和ai=1/3是(16)式的根。又因为ai 1/2，故只考虑a = 1/3的情况d2P da2=2 ?AVi36ai -4 ( 17)当ai=1/3时，d2P/daf: : 0，P取极大值，由于P的连续性，因此极大值就是最大值Pmax 二丨 - RAVl

7、3 (18)27 2 丿相应地，功率系数G为最大值Cpmax =P max/ (pAVi3/2)=127 疟 0.593(19)这个值被称为贝兹极限，它表明在理想情况下，风轮最大能吸收 593%的风的动能。2.1.2考虑风轮后尾流旋转实际上，风轮尾流是旋转的，这时如果风轮处气流的角速度和风轮角速度相比是个小量的话，一维动量方程仍然可用，而且假设 Pl = “。风轮作用盘假设是由许多以风轮轴线为对称轴的小圆环(内半径r 外半径r + dr )构成。这时(20)(21)(22)(23)(24)(26)(2刀(28)(29)求出：后，查翼型手册得到作用在叶素上的升力系数dFn 二 dYcosdX s

8、in dFt = dY sin 孑-dX cos 则法向力系数Cn和切向力系数Ct分别为Cn 二 Cycos Cxsin Ct = Cy sin CxCos作用在每个叶片上的叶素的轴向力为d二 cdrW22Cn式中c为该叶素的弦长。因此对整个风轮面来说dT = NbCdr 颇/2 G式中Nb为风轮叶片数。同理可求得转矩微元dT =dm (Vi -V2) dmVtcIAVt2 rdr假设(门)式仍然成立，则有Vi-V2=2aM将(21)式、(22)式与(9)式代入(20)式可得dT Fr aH1 -ajdr 作用在整个风轮上的轴向力为T = dT =4 二”2 2 (1 ajrdr L 0由动量

9、矩方程，作用在该圆环上的转矩为dM 二 dm (utr)式中Utur，为风轮叶片r处的周向诱导速度，为风轮叶片r处的周向诱导角速度。设定周向诱导因子a?二-/21，“为风轮转动角速度。将Ut二2日如，(20)式及(9)式代入(25)式可得3dM = 4 r:V(1-ajaz, r因此风轮轴功率为2 R 3P 二 dP 二 i】dM 二 4 二：一 V( a2(1ajr dr设定风轮叶尖速比，二，AnTR2，贝UP = ?AV/42. R4 (l-ajrdr风能利用系数为2- 4R 3Cp =8 A 2/R4 a2值，停止迭代；否则用新的 ai、a?值代替原来的ai、比值，回到第二步继续迭代。当

10、风轮叶片部分进入湍流状态时，一维动量方程不再适用，Ct = 4ai(A ai)，这时需要用经验公式对动 量叶素理论进行修正。本文用 Wilson经验公式来修正。Wilson认为，在大诱导速度的情况下，推力系数可以由下式近似表示CT =0587 096ai (ai 038) (51)则当ai 038后，对内半径r，外半径r dr的风轮小圆环，由动量理论dT = 1,2 2 Ct 2rdr (52)由叶素理论dT 二 NbCdrW2.2G (53)由(51)式、Q2)式、Q3)式及 W2/*2 二(1 -ajAsin2，可得(0587 0.96aJ. (1-aj2 =： ： cnsin2 (54)

11、衽迭代求解ai、a?的过程中，如果ai 0.38，则将第六步中的 印,1aj =： ； cn 4sin2式由(54)式替换；否则按原迭代进行。2.4叶片梢部损失和根部损失修正当气流绕风轮叶片剖面流动时，剖面上下表面产生压力差，则在风轮叶片的梢部和根部处产生绕流。这就 意味着在叶片的梢部和根部的环量减少，从而导致转矩减小，必然影响到风轮性能。所以要进行梢部和根部损失修正。本文采用 Prandtl修正方法，即F = Ft Fr (5 5)Ft = 2： arccos) (56)ft =Nb.2 (R -r) . Rs in ( 57)Fr =2y arccos-) ( 5 8)fr= Nb2 (r - rn) . rnsin ( 59)