H型风轮气动载荷的计算研究.pdf

H 型风轮气动载荷的计算研究 口沈寿林口葛俊旭口粱鹏口蒋春祥 华电电力科学研究院杭州3 1 0 0 3 0 摘要针对H 型垂直轴风力机叶片及风轮的气动裁荷计算。提出用于叶片旋转过程中相对风速与弦线攻角计算的 “矢量一圃”图解方法．并在此基础上重点研究了H 型风轮的非线性理论模型。该模型适用于使用直叶片的H 型风轮工作 过程中单个叶片或是整个风轮切向、径向风栽以厦风轮扭矩的计算分析。结合采用N A C A 0 0 1 8 翼型的H 型风轮实例，分 析结果与J ．T e m p l i n 经验公式基本一致．验证了实例模型的准确性和计算方法的有效性。 关键词垂直轴风力机数值解法空气动力学矢量一圆图解法翼型 中图分类号T K8 3文献标识码A 文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 1 0 0 1 3 一0 4 风力机又称风车。是一种将风能转换成机械能、电 能或是热能的能量转换装置[ 1 ] 。风力机从结构上可以 分为两类一是水平轴风力机 H o r i z o n t a lA x i sW i n d T u r b i n e s ，H A W 田，叶片安装在水平轴上，叶片接受风 能转动去驱动所要驱动的机械【2 1 ；二为垂直轴风力机 V e r t i c a lA x i sW i n dT u r b i n e s ，V A W 盯，风轮轴是垂直布 置的。叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械[ 2 】。 就气动性能而畜，H A W T 的最大风能利用系数一般要 比V A W T 高．但现场测试与风洞试验的数据有所不 同。因为现场风向经常变化，H A W T 的迎风面不可能 总对着风向。这就引起了“对风损失”；而V A W T 的优 点是不需设置对风装置．可吸收任意方向的风能，在考 虑到对风损失后，V A W T 性能并不一定低于H A W T ； 加上质量大的部件都可以放在下部或地面上。V A W T 不仅结构简单、造价低，而且便于维修；同时，由于 V A W T 的叶片不受交变的自重应力作用，其风轮叶片 的疲劳寿命相对较长【3 】。 V A W T 可分为两个主要类型一类是利用空气动 力的阻力做功。典型的结构是S 型风轮。它由两个轴线 错开的半圆柱形组成。其优点是启动转矩较大，缺点是 由于围绕着风轮产生不对称气流。从而对它产生侧向 推力【4 1 另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达 里厄_ 型 D a r r i e u s 风力机。达里厄风力机有多种形式，中 型、H 型、Y 型和菱形，基本上是直叶片和弯叶片两种， 以巾型和H 型风轮为典型[ 4 1 。H 型V A 可汀的风轮基本 上采用对称翼型。普通翼型的升力系数不能用近似的 解析式子表示。必须采用数值解法【5 】。笔者应用非线性 理论对H 型V A W T 建立了理论模型，提出了适用于各 翼型攻角计算的图解法“矢量一圆”法，研究了不 同条件下N A C A 0 0 1 8 对称翼型风轮的扭矩输出、横向 和径向风载计算模型通过实例分析，该模型的分析结 果与J 腾普林经验公式值口】基本一致。 收稿日期2 0 1 0 年8 月 盛 机械制造4 9 卷第5 5 7 期 1H 型V A W T 的结构 H 型V A W T 主要由风轮装置、发电机、刹车装置、 控制器和塔架等部件组成[ 6 】。如图1 。 H 型V A W T 的 风轮装置是把风能 转换为机械能的重 要部件．风轮装置 主要由主轴组件、 支持翼、叶片等零 部件组成。主轴组 件为整个V A W T 重 要的承力构件，承 受横向风荷．并通 过主轴外的套筒传 递扭矩至发电机。 发电机是V A W T 能 量转换装置的重要 组成部分。对H 型V A W T 建模时。采用的是带增速箱 的异步发电机。刹车装置是风力发电机必须配备的安 全控制机构，停机控制使风力发电机在需要进行维修、 发生不正常运转或预计发生破坏性强风时，使风力发 电机停止运转【6 】。控制器通过控制发电机为负载或者 蓄能装置提供稳定的电能输出。塔架是V A W T 的支撑 部件，保证风轮安全、稳定。 2 对称翼型的气动性能系数 翼型的气动性能直接与翼型外形有关[ 鲥。在仅有 重力作用的二维气体流场中．流体的压力R 与速度间 ∥。的伯努利方程为【7 】 C 匕斗研1 2 。，2 1 式中t P 为流体密度C 为P 是常数时的可压缩流体定 型流伯努利积分结果。 2 0 1 1 ／I 回 万方数据 H 型D a r r i e u s 风轮常用对称翼型。其升力系数、阻 力系数和俯仰力矩系数分别表示为[ 5 】 C 1 - - 2 L ／ 细护。 ． 2 C v 2 D ／ 1 p 伊。 3 C M 2M ／ [ z p t P 。 4 式中L 、D 、M 分别为翼型的升力、阻力和俯仰力矩；Z 为翼型弦长。 考虑到伯努利方程应用在空气上的限度。即在标 准大气压下，当流体相对速度口o ≤1 0 2m ／s 时，将空气 视为不可压缩性流体与将其视为可压缩性流体的动压 计算相对误差为2 ．2 5 ％t 引。因此，当H 型风轮叶片转动 过程中，流体的相对速度小于口。时，忽略空气的可压 缩性后得到对称翼型的L i l i e n t h a l 空气动力学系数为 fC , C L s i n o t C v c o s o t，，、 【G C L c o s a C D s i 孵 ⋯7 式中t l t 为风轮旋转过程中的叶片气动攻角。 翼剖面上升力特性可用升力系数C L 随攻角n 变 化的曲线即升力特性曲线来表示㈨；同样，翼剖面阻力 特性可用阻力系数C 。随攻角n 变化的曲线即阻力特 性曲线来表示拈】，如图2 。 图2 中对称翼型N A C A 0 0 1 8 和N A C A 0 0 2 1 的空 气动力学系数取自文献[ 8 ] 中的试验结果。 3 。V A W T 风轮叶片攻角计算的图解法 半径为尺的H 型风轮以角速度∞逆时针旋转．见 图3 ，其叶片前缘与铅垂线平行，对于高度h 的叶片。 在时刻t ，其极坐标为僻，研，其中良- - w t 。 取H 型风轮叶片的初始安装角为谚，叶片运动线 速度u R ∞，远端风速为口，则相对风速为 W - - - - “ I - - I ／ 6 建立半径为“的圆，以圆心为起点建立矢量，则得 到用于分析叶片攻角的“矢量一圆”模型，见图4 。当叶 片在直角坐标系1 象限时。其速度矢量比指向位于2 象限，相对风速W 和Ⅱ的夹角为妒，若叶片初始安装角 砂 0 ，则妒即是攻角 相对速度∞与翼弦A A7 的夹角№。 若妒≠O ，则攻角a 妒砷。图5 所示为H 型风轮转速 低。远端风速大于叶片线速度的“矢量一圆”模型。 由图4 和图5 可以看出，叶片线速度矢量与其叶 片位置矢量尺正交并超前- r r ／2 ，当尺和移为某一确定 值时，任意时刻t 的攻角％皆可由二维“矢量一圆”图上 直接测量得到。 将“矢量一圆”中叶片位置由极坐标转换为直角坐 标，得到t 时刻叶片位置坐标为 I 髫 R c 。螂 7 l y R s i r 埘o t 、’ 由图示关系得到w 与弘夹角以锐角 为 a , a r c c o s [ Ⅱ2 l ‘，2 哪2 l 2 u w ] 8 考虑叶片初始安装角度砂≠O ，得到风轮的叶片气 动攻角为 o t o t t 器 砂 9 I 瓦函而J 缈 9 4H 型V A W T 的非线性理论模型 对于H 型D a r r i e u s 风轮来说，其叶片前缘与铅垂 线 三维坐标系Z 轴 平行，在垂直于Z 轴的任一平面 内取一段厚度为出的叶片作为叶素，在叶素所处水平 面的分量分别为 fW r V s i n 口 { W t M q 3 C O S 0 1 0 l 训产0 将W ，投影到叶素平面的埘。为 w 。 v s i n O 1 1 叶片气动攻角表示为 爹一i 回2 0 1 1 ／t机械制造4 9 卷第, s s 7 期a 蛋啬 万方数据 a a r c 胁 瓦羔 1 2 5 实例分析 则叶片上的空气动压表示为 q p w l z ／2 ． ． 1 3 式中w l w r 2 伽。2 以；p 为空气密度。 得到叶素法向n 和切向t 的分力分别为 d N C 。q l d s 1 4 d T C g t l d s 1 5 式中氏、c D 分别为式 5 得到的叶片L i l i e n t h a l 空气动 力系数，分别为叶素的升力系数和阻力系数。 对于等弦长Z 的叶片，叶素段的扭矩表达为 d M R d T R C 雨l l d s 1 6 某时刻t 时单个叶片沿长度积分．可以得到此叶 片提供的扭矩为 M s IR C c t l d s R C 4 t l h 1 7 6 单个叶片在转动一圈％过程中提供的平均扭矩可 以表示为 厶 肚吾』M o c k 1 8 式中t o 2 叮r l w 6 0 ／n ，n 为风轮转速。 假设H 型D a r r i e u s 风轮由B 个叶片组成．对于风 轮每个叶片的初始计算位置不同．因此由式 1 7 得到 第i 个叶片的计算扭矩为 ％ ，警2 ‰警砌伪 。 1 9 任一时刻t 的风轮各个叶片合扭矩为 ％l 庐∑尬b 2 0 i 1 叶轮转动一圈提供的平均扭矩表示为 厶 悱寺』帆I 砂 2 1 式中肚- ￡O t 。 。 通过对H 62 0 0 咖、R 30 0 0 姗的5 叶片H 型 风轮进行分析。在远端风速v l On d s 和风轮转速，l 1 5 0r ／m i n 时，单个叶片某位置的径向力Ⅳ和切向力丁 符合式 1 4 和 1 5 的计算结果。对上述H 型风轮在[ 0 ， 2 竹] 进行间隔计算，得到该风轮横向风载标量值 图国。 [ O ，竹] 时该风轮的径向风载指向偏离极坐标点，[ 霄， 2 r r ] 时其指向极坐标点。若将风轮的每个叶片的径向 载荷在各个位置进行正交分解。叠加后得到该风轮旋 转一圈过程中各计算位置的载荷分量．如图7 。其中远 端风速l ，指向平行正交坐标系l ，轴。各计算位置的间 隔为霄，1 2 。 同样条件下对该H 型风轮的切向戡荷进行分解 和叠加，得到风轮切向力正交分量 图8 和切向力标 量值的极坐标图 图9 。由图6 和图9 看出，最大径向 风载矢量和切向风载矢量皆与远端风速矢量不平行。 图l O 为该H 型风轮在转速间隔变化时，远端风 速由O ．5 ～2 0 ．5m ／s 逐渐增加过程中风轮的功率输出。 由图1 0 中可以看出，由J ．腾普林提出的经验公式的结 果曲线穿越了各个条件下的风轮功率极值点。D a r r i e u s 风轮的最大功率的J ．T e m p l i n 经验公式【3 ’为 P|。0．255匆322 式中S 为风轮扫掠面积。 6 结论 H 型D a r r i e u s 风轮的建模须分析其叶片空气动力 学特性，必须时刻计算叶片旋转过程中的相对风速与 翼型弦线的夹角，即叶片气动攻角的计算。叶片处于不 同旋转位置时。其攻角为旋转速度∞、时间t 和初始安 装角砂的函数，叶片攻角需经过复杂的数值计算，然 后完成叶片的受力分析。通过直叶片的H 型风轮的建 模。文中提出的“矢量一圆”图解方法可以更为方便地得 到叶片各个位置的攻角；结合采用N A C A 0 0 1 8 翼型的 机械制造4 9 卷第5 5 7 期 舢，／t i 回 万方数据 毫 丹 髁 丑 奢 远端风速w m 8 - I ▲图1 0n 1 4 0 2 0 0r ／r a i n 时风轮输出功率 H 型风轮的功率、风载建模分析。计算结果与J ．腾普林 经验公式值吻合良好，验证了该实例模型的准确性和 建模方法的有效性。 参考文献 [ 1 ]田海姣。王铁龙，王颖．垂直轴风力发电机发展概述[ J ] ．应 用能源技术，2 0 0 6 1 1 2 2 2 7 ． [ 2 ] 苏绍禹．风力发电机设计与运行维护[ M ] ．北京中国电力 出版社．2 0 0 3 ． [ 3 】L eG o u r i e r o s ，D ．著，施鹏飞译．风力机的理论与设计[ M ] ．北 京机械工业出版社，1 9 8 7 ． [ 4 ]田海姣．巨型垂直轴风力发电机组结构静动力特性研究 [ D ] ．北京北京交通大学，2 0 0 6 ． [ 5 ] 陈云程．陈孝耀，朱成名．风力机设计与应用[ M ] ．上海上 海科学技术出版社。1 9 9 0 ． [ 6 ]牛海峰，张冬．H 型垂直轴风力发电机的结构设计[ J ] ．上海 电力，2 0 0 7 5 5 1 6 - 5 1 8 ． [ 7 ] A ．K ．M a 呻l I o B 著．空气动力学[ M ] ．北京高等教育出版 社．1 9 5 7 ． [ 8 ] R o b e r tE ．S h e l d a h l ，P a u lC ．K l i m a s ．A e r o d y n a m i cC h a r a c t e - r i s t i c so fS e v e nS y m m e t r i c a lA i r f o i lS e c t i o n st h r o u g h1 8 0 D e g r e eA n g e lo fA t t a c kf o rU s ei nA e r o d y n a m i cA n a l y s i so f V e r t i c a lA x i sW i n dT u r b i n e s [ R ] ．I s s u e db yS a n d i aN a t i o n a l L a b o r a t o r i e s ．o p e r a t e df o rt h eU n i t e dS t a t e sD e p a r t m e n to f E n e r g yb yS a n d i aC o r p o r a t i o n ．1 9 8 1 4 1 - 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