风力发电原理第五章综述
90页1、主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-1 气动设计模型 风轮功率特性 风轮设计参数 现代风轮叶片设计 转速-功率空气动力学控制 第五章 水平轴风轮的气动设计 风轮的关键参数对水平轴风轮空气动力学特性的影响; 利用风轮的空气动力学进行转速-功率控制的原理。 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-2 5-1 气动设计模型 一、气动设计流程 首先建立理论概念风轮,假设其性能属性,预估风轮 的风能利用系数,计算风轮直径,确定叶片的几何和气动 参数; 通过对风轮结构性能的计算,检验风轮性能与设计值 之间的误差。通常计算结果与设计值不能较好吻合,可通 过反复多次的计算和风洞试验,来分析和优化风轮的关键 参数值,从而适当地修正和改善设计。 若初步结果与设计概念风轮相差甚远,可对概念风轮 进行适当的调整。 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-3 设计必须较好地确定风轮的结构,其任务是在预先 假定的要求和目标下,寻找一个最理想的风轮结构。 通常,设计起点是确定在某风速下风力机的功率输出 。基于这一点,通过初
2、步估计风轮的风能利用系数,来 确定所需要的风轮直径。风轮直径的首次假设是风轮空 气动力学设计的开始。风轮的空气动力学设计也可以通 过计算解决,确定理想的风轮形状,如风轮叶片,但仅 是方向性的目标。真正的任务是在考虑了气动性能、强 度和刚度的安全性指标、经济性等因素后,尽可能地寻 找最佳的风轮结构。 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-4 风 力 机 设 计 流 程 图5-1 风力机设计流程 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-5 二、风轮直径的确定 在最大设计输出功率Pu(W)和风力机前风速(m/s)确定 的前提下,选定叶尖速比,预估风力机在该叶尖速比下的 风能利用系数CP值,则风轮的直径D(m)可按下式计算,即 式中:为空气密度,kg/m3。 风轮的转速n (r/min)为 除此之外,水平轴风轮的气动设计,还要确定和选择叶片 的翼型,计算出相对于风轮轴线不同距离r处叶片叶素的弦长 和安装角。 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-6 三、输出功率计算模型 Bet基于叶轮扫风面的二维流场
3、,提出了流经风 轮扫风面的风能转化为机械能的量。 实际上,旋转风轮的尾流产 生旋转动量,为了维持角动量, 尾流旋转力矩必然与风轮力矩相 反。旋转尾流削弱了风轮有用功 ,从而使风轮的风能转化率低于 Bet值。在扩展动量理论中 ,充分地考虑了旋转尾流的效应 ,扩展动量理论模型如图所示。 图5-2 扩展动量理论模型 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-7 引入叶片结构是从风轮结构到空气动力学理论非常关 键的一步,也是找出风轮结构与其空气动力学性能内在联 系的唯一途径,最常用的模型为叶素理论。 叶素理论确定了任意半径r处的空气动力,假设各叶 素是沿轴旋转的同心圆薄片,且叶素之间不存在空气动力 流场的相互干扰,如图所示。 图5-3 叶素理论模型 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-8 在半径r处翼型剖面的弦线与风轮旋转平面的夹角称为桨 角或节距角,风轮轴向自由流流速为w与切向速度u构成 相对速度r。相对速度与叶片弦线的夹角称为当地空气动力 学攻角。 攻角是空气动力学参数,而叶片桨角是设计参数。 图5-4 攻角和桨距角的区别 主编
4、及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-9 根据旋转尾流的轴向和切向的流动机理与叶素空气动力 的形成,确定叶素的流动条件,从而很快从翼型特性曲线读 出叶素的升力系数和阻力系数。 叶片上表面和下表面的压 力差导致叶尖自由叶尖旋涡的 产生。相对阻力也被称为诱导 阻力,是当地升力系数和叶片 长细比的函数。叶片长细比越 高,表明叶片越狭长,诱导阻 力越小。叶尖旋涡被认为是额 外的阻力部分,与中心旋涡一 样,均造成了有用功的损失。 图5-5 漩涡模型 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发电原理风力发电原理 P131-10 通过对叶素升力系数和阻力系数的计 算,可以得出整个叶片长度方向的空气动 力分布。 分为两部分:一部分是风轮旋转平面 的切向力分布;另一部分为轴向的推力分 布。 在整个风轮半径范围内,对切向力进 行积分,则可得出旋转速度下风轮的动力 矩、风轮效率或风能利用系数。对轴向力 进行积分,得出对整个风力机塔架的推力 。 因此,通过叶素理论可以得出某特定 叶片的风力机功率以及在稳态下的气动载 荷。 图5-6 风轮的受力 主编及制作:刘赟主编及制作:刘赟 风力发
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