2MW风力发电机组稳态气动性能研究.pdf

第 6期 2 0 1 5年 6月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 95 2 MW 风力发 电机组稳 态气动性 能研 究 李晓松 ， 阎明印 ， 许增金 2 1 ． 沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳1 1 0 8 7 0 ； 2 ． 沈阳鼓风机集团风电有限公司， 辽宁 沈阳1 1 0 1 4 2 摘要 风力发电机组的性能曲线是评价风能利用率的有效手段， 是风力发电机组控制系统设计的基本依据。为提高风 力发电机组风能利用率， 在设计风力发电机组过程时， 需要对机组气动性能进行评估。利用 G H B l a d e d 软件的稳态分析 功能。 在动量理论模型的基础上， 对 2 M W 风力发电机组进行稳态情况下的气动性能进行了研究。 仿真结果确定了影响风 力发电机组风能利用率的主要因素， 以及转矩、 推力、 转速等性能参数与轮毂风速的关系。研究结果表明， 前期的参数设 计符合理论标准。 能够准确地描述该风力发电机组的运行特征， 可作为后续风力发电机组优化设计的理论基础。 关键词 f g力发电机组 ； 气动性能； 稳态分析 ； 风能利用率 中图分类号 T H1 6 ； T K 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 6 0 0 9 5 0 3 St u d y o n t h e S t e a d y -S t a t e Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e o f 2 MW W i n d Tu r b i n e L I X i a o s o n g ， Y A N Mi n g y i n ， X U Z e n g i n 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g B l o w e r G r o u p Wi n d P o w e r C o ． ， L t d ． ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e w i n d t u r b i n e p e 咖n T t a n c e c u r v e i s a n e ffe c t i v e m e t h o d f o r e v a l u a t i o n o f w i n d t u r b i n e ，a n d i s a l s o t h e b a s i c f o u n d a t i o n oft h e c o n t r o l s y s t e m d e s I n o r d e r t o i m p r o v e t h e w i n d u t i l i z atio n e f fic i e n c y ofw i n d t u r b i n e s ，t h e a e r o d y n a mi c p e ff o r m c e o f w i n d t u r b i n e s s h o u l d b e e v al u ate d i n t h e p r o c e s s of 如s B ase d o n t h e m o l n e n t u m t h e o r y mo d e l ，t h e a e r o d y n a mi c p e 咖 删e of2 MW w i n d t u r b i n e i s r e s e a r c h e d w i t h t h e G H - B l a d e d s o ftw are i n t h e s t e a d y - s t ate anal y s is ． T h e s i mu l ati o n c o a ti t h e ma i n f a c t o r s i n flu e nci n gthe w i n d u t i l iz at i o n e ffic i e n c y ofw i n d t u r b i nes 。 a n d t h e r e l atio n s h ip b e t w e e n h u b w i n d s p e e d a n d p e 矿 0 1 7 n ane e p ara m e t e r s s u c h as t o r q u e ，thr u s t ，r o t o r s p e e d ．The r e s e arc h r e s u h s s h o w t h at t h e p ara m e t e r s oft h e e a r ly d e s , n a c c o r d w i t h the i d e al s t and a r d ，and C an a c c u r at e t y d e s c r i b e the o p e r ati n g c h ara c t e r is t i c s of w i n d t u r b i n e s ， a n d C an a l s o b e u s e d as t he t h e o r e t ica l b asis f o r t h e f o l l o w - u p o p t i ma l s i g ofw i n d t u r b i n e s ． Ke y W o r d s W i n dTu r b i n e ； Ae r o d y n a mi cPe r f o r ma n c e ； S t e a d y t a t eAn a l y s i s ； W i n dUti l i z a ti o nEffi c i e n c y 1 引言 风力发电机组长期处于自然大气环境中，受到非常复杂的 气动载荷的作用， 对风力发电机组的气动性能产生很大的影响Ⅱ J 。 为了确保风力发电机组能够安全、 可靠、 有效地运行， 避免事故的 发生， 在风力发电机组设计过程中， 需要对风力发电机组进行空 气动力学分析， 从而对风力发电机组气动性能进行安全优化和性 能改进， 特别是对于大、 中型风力发电机组， 其意义重大目 。 近年来 ，国内外对风力发电机组气动性能分析技术已经基 本成熟 ， 并出现了多款有关风力发电机组气动性能分析的软件产 品， 如丹麦的 V e s t a s 公司研制出的F A S T软件 ； 荷兰的D e l f 大学 研制的“ P H A L A S ” 软件包 ， N U ME C A国际公司编写的 C F D软件 等。但稳态情况下针对风力发电机组的气动胜能分析， 仍旧没有 形成国际标准下的系统评估方法。 英国G H公司开发的B l a d e d 软件在风力发电机组的设计及 认证过程中的载荷分析、 性能计算结果被德国船级社认可， 现已 成为工业标准软件之一口 ] ， 应用该软件对风力发电机组在稳态环 境下的气动性能进行研究， 通过计算气动性能曲线来评价设计结 果的优劣性， 该结果也可以为叶片外形的优化提供依据 ， 其最终 结论对于风力发电机组设计和研发工作具有一定的参考价值。 2机组基础模型的建立 G H B l a d e d软件涉及很多的设计理论和计算方法，在介绍 G H B l a d e d软件的基础模型 理想状态下的圆盘模型 的同时， 着 重阐述了风力发电机稳态性能参数的公式推导过程 ， 比如功率系 数 ， 推力系数等， 这些都会影响风力发电机组的承载能力和发电 情况。 圆盘模型理论实际上是一种理想状态下的假设情况凹 ， 如图 来稿 日期 2 0 1 4 1 2 1 0 作者简介 李晓松， 1 9 8 9 一 ， 男， 辽宁鞍山人 ， 硕士研究生， 主要研究方向 风力发电机组载荷籽l生 研究； 阎明印， 1 9 6 4 一 ， 男， 辽宁沈阳人， 博士研究生， 教授， 主要研究方向 工业通用技术及设备 No ． 6 J u n e ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 9 7 轮毂处 【 速 l m ／ s J b 功率系数随风速 的变化曲线 图 3输 出功率 、 功率系数 随风速变化 曲线 Fi g ．3 P o we r a n d Po we r Co e f f i c i e n t Ch an g e wi t h W i n d S p e e d Cu r v e 由图 3 a 可知， 在额定风速前， 由于叶轮转速和电机转速均 未达到极限值而不断增大， 因此功率 P始终随着风速的变大呈上 升趋势， 且相邻风速差值区间内功率上升的比例都比较高； 在额 定风速以后， 通过对变桨系统的调节来改变桨距角大小 ， 以降低 功率系数 ， 从而实现对风力发电机进行恒功率控制。由图 3 b 可知， 功率系数在刚刚进入切人风速后迅速增大； 在低于额定风 速的区域内， 为获取更多的风能， 通过控制系统对叶轮的变速调 节， 叶尖速比A保持在 8 ． 2 5附近， 功率系数 也保持在最大值 附近； 当风速高于额定风速时， 为保证恒功率输出， 由式 7 可知 ， 值会随着风速增加不断减小。 4 ． 3轴向推力与推力系数随风速变化关系 作用在风轮上的推力是直接作用在支撑风轮的塔架上， 所 以推力系数作为塔架结构设计的重要依据之一。轴向推力、 推力 系数随风速变化曲线， 如图4 所示。 Z 匣 暴 a 轴向推力随风速的变化曲线 b 推力系数随风速变化曲线 图 4轴 向推力 、 推力系数随风速变化 曲线 F i g ．4 T hr u s t a n d Th r u s t Co e ffi c i e n t C ha n g e wi t h W i n d S p e e d Cu r v e 通过图 4的分析， 结合轴向推力式 5 和推力系数式 8 可 知， 在额定风速以前轴向推力随着风速的增加而不断增大 ， 而轴 向推力系数从最大值开始下降， 在某一风速值后 ， 轴向推力系数 在一个稳定值左右波动；在额定风速以后一直到切出风速之前 ， 轴向推力出现减小的趋势， 而轴向推力系数也始终随着风速增加 而减小。 在高于额定风速时， c ， 会减小； 此时虽然风速 增大， 但 由于 C 的明显减小 ， 则推力 也会减小。而图4 b 中出现了推 力系数大于 1 的情况， 这是因为在第 1 节中定义的推力系数是基 于理想的制动圆盘理论 ，而当轴向诱导因子 。大于 0 ．5的情况 下， 制动圆盘理论就不适用了。此时的推力系数表达式需由原来 的式 8 改为经验公式 C 0 ． 6 0 ． 6 1 a 0 ． 7 9 a 。 9 4 ． 4转矩和转矩系数随风速变化关系 风力发电机转矩输出直接影响发电机功率输出情况，而转 矩系数是功率系数与叶尖速比的比值， 主要是在风轮连接到齿轮 箱和发电机时用来估计力矩的大小。转矩、 转矩系数随风速的变 化曲线， 如图5所示。 一 辍 蜱 轮毂处风速[ m ／ s ] a 输 出转矩随风速的变化 曲线 轮毂处肛【 速【 m／ s J b 转矩系数随风速的变化 曲线 图 5转矩 、 转矩系数随风速的变化曲线 Fi g ． 5 To r q u e a n d T o r q ue C o e ffic i e n t Ch an g e wi t h Wi n d S p e e d C u r v e 转矩随风速的变化关系， 如图 5 a 所示。在额定风速前， 功 率未达到极限值内的最大输出， 因此为保证风力发电机组能够以 最大功率输出， 转矩不断增大。 额定风速后， 为使风力发电机组能 够保持恒功率输出， 虽然风速增大， 但是输出转矩进入稳定区域。 电机转矩由下式可得 Q 叩 A ， ／ 3 1 0 式中 电机转矩， k N m； R 一叶轮的扫略半径， m； C A，卢 功 率系数。 而转矩系数为 Q ／ 2 式中 转矩系数。 由式 1 0 和式 1 1 两式可得 A， 卢 1 2 竹 风力发电机组的转矩系数随风速的变化关系， 如图 5 b 所 示。 由式 1 2 分析可知 ， 额定风速之前， 转矩系数 始终在增大； 额定风速后 ， 虽然风速 增大， 但是由式 7 可知， 功率系数 A，卢 与 成反比， 故 A ， 卢 对 c M 值的大小影响更大， 因此 减小 。 下转第 1 0 1 页 傩 ∞ ∞ 兮 ∞ 叭 ∞ No ． 6 J u n e ． 2 0 1 5 机 械设 计 与 制造 1 0 1 度的影响； 3 相同跨度下 ， 随着变截面起点值的增大， 最小挠度逐渐 增大； 起点值不变时， 跨度越大， 挠度值越大； 4 对中梁挠度值变化的影响由大到小依次为 最大截面高 度、 起点值、 跨度值。 这里的研究为变截面梁的设计提供了一种有效的分析方 法 。 参考文献 [ 1 ] 孙竹生， 鲍维千内 燃机车总体及走行部[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 1 9 95 9 2 - 9 5 ． S u n Z h u - s h e n g ， B a o We i - q i a n ． T h e Wh o l e o f Di e s e l L o c o mo t i v e a n d B o g i e [ M] ．B e i j i n g C h i n a R a i l w a y P u b l i s h e r ， 1 9 9 5 9 2 - 9 5 ． [ 2 ] 刘洋， 何斌， 傅洁周期变截面梁刚度分析的均匀化方法[ J ] ．机械设计 与制造 ， 2 0 1 4 1 2 1 2 4 ． “u Y a n g ， He B i n ， F u J i e ． S t i ff n e s s a n a l y s i s o f t h e p e ri o d i c v a r i a b l e c r o s s- s e c t i o n b e a m b a s e d o n h o mo g e n i z a t i o n m e t h o d[ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g na n dMa n u f a c t u r e ， 2 0 1 4 1 2 1 2 4 ． [ 3 ] 李志祥， 王军杰 ， 吴德宏． 边梁式车架的结构灵敏度分析及设计优化 [ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 3 4 8 5 O ． L i Z h i x i a n g ， Wang J u n - j i e ， Wu D e h o n g ． S t r u c t u r e s e n s i t i v i t y a n a l y s i s and d e s i gn o p t i m i z a t i o n o f f ri n g e b e a mf r a m e[ J ] ．M a c h i n e r y D e s i gn and Manu f a c t u r e 。 2 0 1 0 3 4 8 5 0 ． l 4 J Me h m e t C ， Me t i n A， V e d a t T ． V i b r a t i o n o f a v a ri abl e c r o s s s e c t i o n b e am [ J ] ． Me c h ani c s R e s e a r c h C o mmu n i c a t i o n s ， 2 0 0 7 1 7 8 8 4 ． [ 5 ] E i s e n b e r g e r Mo s h e ．D y n a c s t i f f n e s s ma t ri x f o r v a r i a b l e c r o s s s e c t i o n t i m o s h e n k o b e a m s [ J ] ．C o m m u n i c a t i o n s i n N u m e ri c a l Me t h o d s i n E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 5 6 5 0 7 5 1 3 ． 1 6 J R o j a s A， R o j a s R， S o t o I ．Ma t h e m a t i c a l mo d e l for r e c t a n g u l a r b e a ms o f v a r i a b l e c r o s s s e c t i o n o f s y mme t r i c a l l i n e a r s h a p e for c o n c e n t r a t e d l o a d l J j ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I n n o v a t i v e C o m p u t i n g 。 2 0 1 4 3 8 5 1 8 8 1 ． 1 7 J M．K．V e r ma ， A ． V ． K r i s h n a M． N o n l i n e a r b e n d i n g o f b e a ms o f v a r i a b l e c r o s s - s e c t i o n 【 J J ． I n t e rna t i o n al J o u rnal o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s ， 1 9 7 3 ． 2 1 8 3 1 8 7 ． [ 8 ] 李 自 林． 用积分法求变截面梁的挠曲线方程[ J ] ． 河北煤炭建筑工程学 院学报 ， 1 9 9 6 3 1 6 2 O ． L i Z i l i n ． De fl e c t i o n c u r v e e q u a t io n c alc u l a t i o n o f v a r i a b l e c r o s s s e c t i o n b e am b ase d o n I n t e g r a t i o n m e t h o d [ J ] J o u rua l o f H e b e i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r alS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 3 1 6 - 2 0 ． [ 9 ] 邹家兴． 用等效刚度法计算变截面梁的变形[ J ] _ 农田水利与小水电， 1 9 9 5 9 3 6 3 8 ． Z o u J i a - x i n g ． D e f o r m a t i o n c aic u l a t i o n o f v a r i a b l e C roS S s e c t i o n b e am b as e d o n e q u i v al e n t s t i f f n e s s t h e o r y [ J ] ．C h i n a R u r al Wa t e r a n d H y d ru p o w e r ， 1 9 9 5 9 3 1 - 3 8 ． [ 1 O ] 赵宽荣． 由微分关系求变截面梁的变形[ J ] ．机械， 1 9 9 6 5 3 1 3 8 ． Z h a o Ku a n- run g ．De f o r ma t i o n c a l c u l a t i o n o f v a r i abl e C roS S - -s e c t i o n b e a mb a s e d o n d i ff e r e n t i a l t h e o ry [ J ] ． M e c h a n i c s ， 1 9 9 6 5 3 1 - 3 8 ． [ 1 1 ] 江晓禹， 龚晖． 材料力学[ M] ． 第 4 版． 成都 西南交通大学 出版社， 2 0 0 9 1 0 8 -1 1 0 ． J i a n g X i a o - y u ， G o n g Hu i ．Ma t e r i al Me c h a n i c s [ M] 4 t h Ed i t i o r r C h e n g d u S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y P u b l i s h e r ， 2 0 0 9 1 0 8 -- l l n [ 1 2 ] 田葆栓． 国内外铁路货车车体强度设计与试验标准的分析与研讨 待 续 [ J ] ． 铁道车辆 ， 2 0 0 9 ， 4 7 5 2 6 _ 3 O 4 9 ． T i a n B a o - s h u a n ． T h e a n aly s i s a n d d i s c u s s i o n o f s t r e n g t h d e s i gn a n d t e s t i n g s t a nd a r d s for r a i l wa y f r e i g h t c a r bo d i e s i n o u r c o u n t r y a n d a b roa d 【 J J ．R a i l w a y V e h i c l e s ， 2 0 0 9 ， 4 7 5 2 6- 3 0 4 9 ． 上接 第 9 7页 5结论 稳态风况下， 利用工业标准软件 G H B l a d e d ， 对某 2 MW 风 力发电机组的气动性能特性进行了分析。 基于动量理论模型以及 仿真结果， 分析了功率、 转矩、 推力以及各无量纲性能系数与风速 之间的关系，得到了功率系数 与桨距角卢以及叶尖速比A之 间的函数关系， 确定了影响风能利用率的主要影响因素。对某型 号风力发电机组的稳态特性分析可知， 该机组主要是通过调节风 轮转速 低于额定风速下 和调节桨距角 高于额定风速下 来控 制输出功率大小，在有效地提高了风轮的风能转换率的同时， 也 可以限制风力发电机组机械功率不超出额定功率。研究结果表 明 风能利用率 存在上限值， 不同风速下对应不同的最佳叶尖 速比A 和最大功率系数 ；对各项性能参数与风速的关系曲 线研究说明该叶片具有较好的气动性能和较宽的风速适应范 围， 该机组所受推力和力矩情况满足结构要求。 参考文献 [ 1 ] 徐芳， 周志刚．变速变桨距风力发电机气动特性研究[ J ] ．可再生能源， 2 0 1 3 8 5 8 - - 6 3 ． Xu F ang ， Z h o u Z h i - g a n g ．S t u d y o n a e r o d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s o f v a r i a b l e - -s p e e d p i t c h - r e g u l a t e d w i n d t u r b i n e [ J ] ． R e n e w abl e E n e r gy R e s o u r c e s ， 2 0 1 3 8 5 8 -- 6 3 ． l 2 1 J i a n g J i n ， Z h ang G u o - y u ， We n g X i a o - h o n g ．A e ro d y n ami c n u m e ri c a l s i re - u l a t i o n a n d p e r f o r m a n c e p r e d i c t i o n o f w i n d t u r b i n e r o t o r [ c ] _ I E E E I n t e rn a t i o n al Co n f e r e n c e o n Ma t e ria l s f o r Re n e wa b l e En e r g y＆ En v i ron m- e n t ， W u h a n， 2 01 1 6 1 6 -- 6 2 0 ． [ 3 ] 周鹏展， 曾竞成， 肖加余． 基于 B l a d e d 软件的大型风力发电机叶片气 动分析[ J ] ． 中南大学学报， 2 0 1 0 ， 4 1 5 2 0 2 2 2 0 2 7 ． Z h o u P e n g - z h a n ， Z e n g J i n g - c h e n g ， X i a o J i a - y u ．A e r o d y n am i c ana l y s i s o f a l a r g e s c ale w i n d t u r b i n e b l a d e b ase d o n B L AD E D s o f t w are l J J ．J o u rna l o f C e n t r alS o u t hU n i v e r s i t y ， 2 0 1 0 ， 4 1 5 2 0 2 2 2 0 2 7 ．s l 4 J D a i J u c h u an， Hu Yan p i n g ， L i u D e s h u n ． A e r o d y n a mi c l o a d s c a l c u l a t i o n a n d an a l y s i s for l a r g e s c ale wi n d t u r b i n e b a s e d o n c o mb i n i n g BEM m o d i f i e d t h e o ry w i t h d y n a I I l i c s t al l m o d e l [ J ] ． R e n e w abl e E n e r g y ， 2 0 1 1 ， 3 6 3 1 0 9 5 1 1 0 4 ． [ 5 ] 刘强， 杨科， 黄宸武．S M W大型风力发电机气动特性计算机分析[ J ] ．工程 热物理学， 2 0 1 2 ， 3 3 7 1 1 5 5 1 1 5 9 ． L i u Q i a n g ， Ya n g K e ， Hu a n g C h e n w u ． S i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e a e rod y n ami c c h ar a c t e ri s t i c o f a 5 MWw i n d t u r b i n e [ J ] J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i c s ， 2 0 1 2 ， 3 3 7 1 1 5 5 1 1 5 9 ． [ 6 ] 王贤立 ， 柴玉华． 变速风力发电机变桨距系统建模与仿真 [ J ] ．可再生能 源 ， 2 0 1 2 ， 3 0 9 3 7 3 9 ． Wang X i an - l i ， C h a i Y u- h u a ． Mo d e l i n g and s i mu l a t i o n o f a d j u s t a b l e p i t c h c o n t ro l o f v a r i abl e s p e e d w i n d t u r b i n e s y s t e m [ J ] ． R e n e w a b l e E n e r g y R e s o u r c e s ， 2 0 1 2 ， 3 0 9 3 7 3 9 ． [ 7 ] 张磊 ， 孙映光， 吕翔宙． 基于 B l a d e d 软件的风力发电机组变桨距控制 系统设计[ J ] ．河北工业大学学报， 2 0 1 1 6 1 1 - 1 5 ． Z h a n g L e i ， S u n Y i n g- gna n g ， L v X i a n g- y u ． B l a d e d_ b a s e d d e s i gn o f p i t c h c o n t r o l s y s t e mfor w i n d t u r b i n e s l J ] J o u rual o f He b e i U n i v e rsi t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 6 1 1 - 1 5 ． [ 8 ] 魏玉通， 田德， 王海宽． 风力发电机叶片动态载荷分析[ J ] ．农村牧区机 械化 ， 2 0 0 9 1 1 7 2 0 ． We i Yu - t o n g ， T i a n D e ， Wang H ai k u a n ．Th e a n a l y s i s o f w i n d t u r b i n e b l a d e d y n a m i c l o a d [ J ] ． M e c h a n i z a t i o n i n R u r al＆P a s t o r al。 2 0 0 9 1 1 7 2 O ．