.PAGE.目錄..TOC\o\f\h\z1前言22風(fēng)輪氣動載荷22.1動量理論2不考慮風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)2考慮風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)32.2葉素理論42.3動量──葉素理論42.4葉片梢部損失和根部損失修正62.5塔影效果62.6偏斜氣流修正62.7風(fēng)剪切63風(fēng)輪氣動載荷分析73.1周期性氣動負(fù)載74.1載荷情況DLC1.3104.2載荷情況DLC1.5104.3載荷情況DLC1.6104.4載荷情況DLC1.7114.5載荷情況DLC1.8114.6載荷情況DLC6.111風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動特性分析與載荷計(jì)算前言風(fēng)力發(fā)電機(jī)是靠風(fēng)輪吸取風(fēng)能的,將氣流動能轉(zhuǎn)為機(jī)械能,再轉(zhuǎn)化為電能輸送電網(wǎng),風(fēng)力機(jī)氣動力學(xué)計(jì)算是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。特別是對于大、中型風(fēng)機(jī),其意義更為重大。風(fēng)力機(jī)處于自然大氣環(huán)境中,大氣紊流、風(fēng)剪切、風(fēng)向的變化〔側(cè)偏風(fēng)和塔影效應(yīng)等,這些現(xiàn)象使葉片受到非常復(fù)雜氣動載荷的作用,對風(fēng)力機(jī)的氣動性能和結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生很大的影響。對一臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說,除風(fēng)輪葉片產(chǎn)生機(jī)組的氣動載荷外,機(jī)艙和支撐風(fēng)輪和機(jī)艙的塔筒也產(chǎn)生氣動載荷,這些都對機(jī)組的載荷產(chǎn)生影響。風(fēng)輪氣動載荷目前計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動載荷有動量—葉素理論、CFD等方法。動量—葉素理論是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段,稱這些微段為葉素,在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾,葉素可以認(rèn)為是二元翼型,在這些微段上運(yùn)用動量理論求出作用在每個葉素上的力和力矩,然后沿葉片展向積分,進(jìn)而求得作用在整個風(fēng)輪上的力和力矩,算得旋翼的拉力和功率。動量—葉素理論形式比較簡單,計(jì)算量小,便于工程應(yīng)用,估算機(jī)組初始設(shè)計(jì)時整機(jī)的氣動性能,被廣泛用于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算,而且還用來確定風(fēng)力機(jī)的動態(tài)載荷,不斷地被進(jìn)一步改進(jìn)和完善。CFD數(shù)值計(jì)算不需要對數(shù)學(xué)模型作近似處理,直接對流體運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬,從物理意義上說,數(shù)值求解N-S方程的CFD方法應(yīng)該是最全面準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)力機(jī)氣動特性的方法。但是,由于極大的計(jì)算工作量,數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性等原因,目前CFD求解N-S方程方法還遠(yuǎn)不能作為風(fēng)力機(jī)氣動設(shè)計(jì)和研究的日常工具。作為解決工程問題的工具還不太實(shí)際。為此在計(jì)算中應(yīng)用動量—葉素理論方法來計(jì)算機(jī)組的氣動載荷。動量理論動量理論是經(jīng)典的風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)理論。風(fēng)輪的作用是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,但是它究竟能夠吸收多大的風(fēng)的動能就是動量理論回答的問題。下面分不考慮風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)和考慮風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)兩種情況應(yīng)用動量理論。不考慮風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)首先,假設(shè)一種簡單的理想情況：〔1風(fēng)輪沒有偏航角、傾斜角和錐度角,可簡化成一個平面槳盤；〔2風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)時不受到摩擦阻力；〔3風(fēng)輪流動模型可簡化成一個單元流管；〔4風(fēng)輪前未受擾動的氣流靜壓和風(fēng)輪后的氣流靜壓相等,即p1=p2；〔5作用在風(fēng)輪上的推力是均勻的；〔6不考慮風(fēng)輪后的尾流旋轉(zhuǎn)。將一維動量方程用于風(fēng)輪流管,可得到作用在風(fēng)輪上的軸向力為〔1式中為流過風(fēng)輪的空氣流量〔2于是〔3而作用在風(fēng)輪上的軸向力又可寫成〔4由伯努利方程可得〔5〔6根據(jù)假設(shè),p1=p2,〔5式和〔6式相減可得〔7由〔3式、〔4式和〔7式可得〔8〔8式表明：通過風(fēng)輪的風(fēng)速是風(fēng)輪前的風(fēng)速和風(fēng)輪后的尾流速度的平均值。設(shè)定軸向誘導(dǎo)因子,ua為風(fēng)輪處的軸向誘導(dǎo)速度,則〔9〔10〔9式和〔10式代入〔3式得〔11〔12軸向誘導(dǎo)因子a1又可寫成〔13〔13式表示,如果風(fēng)輪全部吸收風(fēng)的能量,即V2=0時,a1有一個最大值1/2,但實(shí)際情況不可能這樣,所以a1<1/2。根據(jù)能量方程,風(fēng)輪吸收的能量〔即風(fēng)輪軸功率P等于風(fēng)輪前后氣流動能之差〔14將〔9式、〔10式代入〔14式,可得〔15當(dāng)時,P出現(xiàn)極值,則〔16a1=1和a1=1/3是〔16式的根。又因?yàn)閍1<1/2,故只考慮a1=1/3的情況〔17當(dāng)a1=1/3時,,P取極大值,由于P的連續(xù)性,因此極大值就是最大值〔18相應(yīng)地,功率系數(shù)CP為最大值〔19這個值被稱為貝茲極限,它表明在理想情況下,風(fēng)輪最大能吸收的風(fēng)的動能?？紤]風(fēng)輪后尾流旋轉(zhuǎn)實(shí)際上,風(fēng)輪尾流是旋轉(zhuǎn)的,這時如果風(fēng)輪處氣流的角速度和風(fēng)輪角速度相比是個小量的話,一維動量方程仍然可用,而且假設(shè)p1=p2。風(fēng)輪作用盤假設(shè)是由許多以風(fēng)輪軸線為對稱軸的小圓環(huán)〔內(nèi)半徑r,外半徑r+dr構(gòu)成。這時〔20而〔21假設(shè)〔11式仍然成立,則有〔22將〔21式、〔22式與〔9式代入〔20式可得〔23作用在整個風(fēng)輪上的軸向力為〔24由動量矩方程,作用在該圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩為〔25式中,為風(fēng)輪葉片處的周向誘導(dǎo)速度,為風(fēng)輪葉片處的周向誘導(dǎo)角速度。設(shè)定周向誘導(dǎo)因子,為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度。將,〔20式及〔9式代入〔25式可得〔26因此風(fēng)輪軸功率為〔27設(shè)定風(fēng)輪葉尖速比,,則〔28風(fēng)能利用系數(shù)為〔29葉素理論葉素理論的基本出發(fā)點(diǎn)是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段,稱這些微段為葉素,在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾,葉素可以認(rèn)為是二元翼型,將作用在每個葉素上的力和力矩沿展向積分,求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。從動量理論可知,當(dāng)考慮風(fēng)輪尾流旋轉(zhuǎn)后,風(fēng)輪處軸向速度,周向速度,實(shí)際流經(jīng)風(fēng)輪處的氣流速度是。對每個葉素來說,是迎角,是入流角,是扭轉(zhuǎn)角〔30〔31求出后,查翼型手冊得到作用在葉素上的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由于〔32〔33則法向力系數(shù)和切向力系數(shù)分別為〔34〔35作用在每個葉片上的葉素的軸向力為〔36式中為該葉素的弦長。因此對整個風(fēng)輪面來說〔37式中為風(fēng)輪葉片數(shù)。同理可求得轉(zhuǎn)矩微元〔38動量──葉素理論為了計(jì)算風(fēng)力機(jī)性能,必須計(jì)算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子,這就需要用到動量──葉素理論。由動量理論可得〔39〔40由葉素理論可得〔41〔42由〔38式和〔41式可得〔43整理得〔44式中〔45由于,,代入〔44式〔46整理得〔47同理,由〔40式和〔42式〔48整理得〔49由于,,,,代入〔49式并整理得〔50這樣,通過迭代方法可以求出軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子：第一步：假設(shè)、初值；第二步：計(jì)算入流角,；第三步：計(jì)算攻角,；第四步：計(jì)算升力系數(shù)和阻力系數(shù)；第五步：計(jì)算法向力系數(shù)和切向力系數(shù)第六步：計(jì)算新的、值第七步：比較新的、值和原來的、值,如果誤差小于設(shè)定誤差值,則認(rèn)為求出、值,停止迭代；否則用新的、值代替原來的、值,回到第二步繼續(xù)迭代。當(dāng)風(fēng)輪葉片部分進(jìn)入湍流狀態(tài)時,一維動量方程不再適用,,這時需要用經(jīng)驗(yàn)公式對動量──葉素理論進(jìn)行修正。本文用Wilson經(jīng)驗(yàn)公式來修正。Wilson認(rèn)為,在大誘導(dǎo)速度的情況下,推力系數(shù)可以由下式近似表示〔51則當(dāng)后,對內(nèi)半徑,外半徑的風(fēng)輪小圓環(huán),由動量理論〔52由葉素理論〔53由〔51式、〔52式、〔53式及,可得〔54在迭代求解、的過程中,如果,則將第六步中的式由〔54式替換；否則按原迭代進(jìn)行。葉片梢部損失和根部損失修正當(dāng)氣流繞風(fēng)輪葉片剖面流動時,剖面上下表面產(chǎn)生壓力差,則在風(fēng)輪葉片的梢部和根部處產(chǎn)生繞流。這就意味著在葉片的梢部和根部的環(huán)量減少,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小,必然影響到風(fēng)輪性能。所以要進(jìn)行梢部和根部損失修正。本文采用Prandtl修正方法,即〔55〔56〔57〔58〔59式中為梢部根部損失修正因子,為梢部損失修正因子,為根部損失修正因子,為槳轂半徑。這時〔39式、〔40式分別可寫成〔60〔61〔41式、〔42式不變,迭代過程第六步的兩關(guān)系式變?yōu)椤?2〔63塔影效果筒形塔架比衍架式塔架塔影效果更嚴(yán)重,氣流在塔架處分離,造成速度損失,下風(fēng)向機(jī)組尤其嚴(yán)重,采用位流理論模擬筒形塔架氣流效果,得到氣流表達(dá)式：其中：D為塔架直徑,x和y表示軸向和側(cè)向相對于塔架中心的坐標(biāo),括號中的第二項(xiàng)為氣流減少量,把塔影效果引起的流速減少量化到風(fēng)速誘導(dǎo)因子中去,,然后應(yīng)用葉素－動量理論。偏斜氣流修正 最初的動量理論設(shè)計(jì)依據(jù)是軸向流,而風(fēng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在偏斜流情況下,這樣,風(fēng)輪后尾渦產(chǎn)生偏斜,為此須對動量理論做修正。是修正后的軸向誘導(dǎo)因子,r是當(dāng)?shù)厝~素半徑,R是風(fēng)輪半徑,是尾渦偏斜角,是氣流偏斜角,是風(fēng)輪偏航角〔相對于下風(fēng)向氣流方向?yàn)?度。風(fēng)剪切風(fēng)吹過地面時,由于地面上各種粗糙元〔草、莊稼、森林、建筑物等的摩擦作用,使風(fēng)的能量減少而使風(fēng)速減小,風(fēng)速減小的程度隨離地面的高度增加而降低。這樣風(fēng)速隨高度變化而變化,這個現(xiàn)象稱為風(fēng)剪切。風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律稱為風(fēng)速廓線。本文用指數(shù)律表示風(fēng)速廓線〔64式中為高度為處的風(fēng)速,為高度為處的風(fēng)速,為風(fēng)速廓線指數(shù),它與地面粗糙度有關(guān)。在我國規(guī)范中將地面粗糙度分為,,三類。按IEC標(biāo)準(zhǔn),取。由于考慮風(fēng)剪切后,風(fēng)輪作用盤內(nèi)不同高度處的來流風(fēng)速是不同的,這時將風(fēng)輪葉片葉素作用環(huán)用等圓心角分成一定數(shù)量n的小區(qū)域,對于某個小區(qū)域,認(rèn)為其來流風(fēng)速是一定的,等于該小區(qū)域內(nèi)某高度的風(fēng)速,利用此風(fēng)速作來流風(fēng)速代替動量理論、葉素理論、動量──葉素理論中的來流風(fēng)速,計(jì)算、、等；將風(fēng)輪葉片葉素作用環(huán)內(nèi)所有小區(qū)域計(jì)算得到的、、等分別疊加起來除以小區(qū)域數(shù)量,得到此葉素對風(fēng)輪推力、轉(zhuǎn)距、功率等的貢獻(xiàn)、、等；然后再按此方法計(jì)算別的葉素對風(fēng)輪推力、轉(zhuǎn)距、功率等的貢獻(xiàn),最后得到風(fēng)輪推力、轉(zhuǎn)距、功率等。在這些過程中,同時計(jì)算出作用在葉片上的氣動載荷。風(fēng)輪氣動載荷分析垂直葉輪盤面,穩(wěn)定均勻流情況下：根據(jù)葉素－動量理論,忽略掉一些小的平方項(xiàng)后,葉片單位長度上的力可以表示為葉輪平面外和平面內(nèi)力：平面外力：〔65平面外力：〔66其中：為葉尖損失因子,為葉片數(shù)目。的方向如圖3-1定義。圖3-1：葉片負(fù)載旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定義<從輪轂中心沿葉片軸外指；下風(fēng)向方向垂直于葉片軸；垂直與主軸和軸>葉片平面外力和平面內(nèi)力隨半徑的變化如圖3-2所示,可以看出,平面外力近乎線性增長,這種變化趨勢對任意機(jī)組來說都是一樣的。由葉片平面外力和平面內(nèi)力可計(jì)算出葉片氣動彎矩負(fù)載,它隨半徑的變化如圖3-3所示,隨半徑的增加線性減小。圖3-2：葉片平面外和平面內(nèi)力隨半徑的變化圖3-3：葉片氣動彎矩負(fù)載隨半徑的變化偏斜氣流下應(yīng)用葉素－動量理論,可以得到如圖3-4的葉根平面外彎矩和平面內(nèi)彎矩變化,偏航角度+300。葉片方位角的定義為葉尖朝上為葉片00方位,隨著葉片旋轉(zhuǎn)不斷變化,正偏航的定義為側(cè)風(fēng)吹向葉輪轉(zhuǎn)盤的方向與葉尖朝上〔類似時鐘指向12點(diǎn)時的葉片運(yùn)動方向一致。從圖中兩個風(fēng)速的比較可知,20m/s風(fēng)速時葉片彎矩接近正弦變化,方位角1800時達(dá)到最大。10m/s風(fēng)速時葉片平面外彎矩在方位角2400時達(dá)到最大。圖3-4：葉根平面外彎矩和平面內(nèi)彎矩,偏航角度+300,隨葉片方位角的變化。軸仰角下為了避免葉片與塔架碰撞,采用主軸與水平方向有一定夾角辦法,增加葉尖與塔架間隙,這種情況下的葉片氣動負(fù)載變化類似偏斜氣流下情況。風(fēng)切變由于風(fēng)切變的存在,風(fēng)速隨高度的增加而增加,呈冪指數(shù)變化關(guān)系,葉根彎矩由于風(fēng)切變隨葉片方位角的變化關(guān)系如圖3-5所示?？梢钥闯鲲L(fēng)速10m/s時,變化呈正弦關(guān)系,15m/s風(fēng)速時由于葉片失速,葉根彎矩幾乎恒定不變。圖3-5：由于風(fēng)切變,葉根彎矩隨葉片方位角的變化關(guān)系塔影效果筒形塔架比衍架式塔架塔影效果更嚴(yán)重,氣流在塔架處分離,造成速度損失,下風(fēng)向型機(jī)組尤其嚴(yán)重。應(yīng)用葉素－動量理論,得圖3-6,由圖中可以看出,當(dāng)葉片塔筒間隙等于塔架半徑時,,低風(fēng)速段〔風(fēng)速10m/s,葉根平面外彎矩下降厲害；如果增大間隙,會改善一些。高風(fēng)速段時〔風(fēng)速20m/s,情況會好一些。圖3-6：塔影效果引起的葉根彎矩隨葉片方位角的變化關(guān)系載荷情況DLC1.3初始風(fēng)速為額定風(fēng)速,在極端連續(xù)陣風(fēng)基礎(chǔ)上同時伴隨極端風(fēng)向變化情況下正常功率輸出?！?極端相關(guān)陣風(fēng)〔2 應(yīng)假定極端相關(guān)陣風(fēng)的幅值為：VCG=15m/s,用下式確定風(fēng)速：其中T=10s為陣風(fēng)增強(qiáng)時間,采用式〔64確定風(fēng)速。方向變化的極端相關(guān)陣風(fēng) 應(yīng)假定風(fēng)速增大與風(fēng)向變化θcg同時出現(xiàn),其中θcg由下式確定：〔4風(fēng)向同時變化角由下式確定：〔3〔4〔3其中T=10s為陣風(fēng)增強(qiáng)時間,采用式〔64確定風(fēng)速。載荷情況DLC1.5初始風(fēng)速為額定風(fēng)速或停機(jī)風(fēng)速時,在1年極端工作陣風(fēng)〔EOG1情況下掉網(wǎng)。極端運(yùn)行陣風(fēng)〔EOG 〔5式中：σ1—標(biāo)準(zhǔn)差；Λ1—湍流尺度參數(shù)；D—風(fēng)輪直徑β=4.8,對N=1；當(dāng)重復(fù)周期為N年時,由下列方程式確定風(fēng)速： 〔6式中： V<z>—由式〔64確定；T=10.5s,N=1；載荷情況DLC1.6初始風(fēng)速為額定風(fēng)速或停機(jī)風(fēng)速時,在50年極端工作陣風(fēng)〔EOG50情況下正常功率輸出。極端運(yùn)行陣風(fēng)〔EOG〔7式中：σ1—標(biāo)準(zhǔn)差；Λ1—湍流尺度參數(shù)；