定桨距风轮气动特性预测方法的研究.pdf

、l 訇 似 定桨距风轮气动特性预测方法的研究 Th e r esear ch of pr edi c t i on s m et hod of w i nd t ur bi n e’ S aer o dynam i c char act er i s t i cs 张青 。 ，王炫。 ，马超 ZHANG Qi n g。 ． W ANG Xu a n’ ． MA Ch a o 1 ． 中国民航大学 ，天津 3 0 0 3 0 0 ；2 ． 中国商用飞机有限责任公司，上海 2 0 0 1 2 0 摘要风能是一种清洁的可再生能源。在风力发电步入商业化的今天 ，叶轮技术的不断发展和改进 大大降低了风力发电的成本。目前工程实际中应用的并网型定桨距风力机 ，采用的定桨距风 力机转速可变 ，通过转速变化达到低风速时运行高效率、大风速时恒功率输出。本文通过对 定桨距风轮的实验以及利用O F D 技术做仿真计算，从而对定桨距风轮的气动特性作出预测。 关键词定桨距 ；风轮；数值仿真；CF D；转速控制 中图分类号 T P 2 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 6 上 一 O 1 1 4 0 5 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 6 I- ． 3 5 0 引言 风 能 是 一种 清 洁 的 可再 生 能 源。据世界气象组织 WMO 分析， 全 球 总风 能为 3 1 0 “ k w，其 中可 利 用 的风 能为 2 1 0 k w。开发 和 利用风能资源 ，不仅可以缓解 2 1 世 纪 日趋严重的能源危机 ，也是克服 环境污染全球变暖等世界环境危机 的有效途径 “ 。 目前 ，风力发 电已进入商业化 发展的前期 阶段 ，与之相配套 的叶 轮技术的发展也十分迅速。当今计 算流体动 力学 C F D技 术已经发 叶片线速度 展的比较成熟 ，C F D软件 已经具 有较高的精度和 较快的速度。将 C F D技术用于指导风轮的空气动 力学研究和设计 ，并结合实验验证 ，不失为一种 经济、快捷 、有效的研究方法。 1 水平轴风力机的动力学分析 如 图 l 所示风 以速度 V吹 向叶片，叶片以线 速度 向左运动 ，气流 以相对风速吹到叶片上 ，叶 片受到空气作 用力 F开始转动 。空气的作用力 F 分解在相对风速方向的一个力 F d ，称作阻力；另 一 个垂直于阻力 F d的力 ，称作升力 F 1 。而 F沿叶 片运动方向的分力就是使叶片在风速 V中使叶片 图1 旋转的桨叶在风中的受力分析 转动的力 。相对风速与翼型弦线的夹角叫做攻 角，翼型弦线与旋转平面的夹角称为安装角 ，又 称桨距角。本文研究 的定桨距是指 ，桨距角 安 装角 不变的情况下的风轮气动特性。而攻角的大 小直接影响着风轮叶片 的性能。攻角过大或过小 都会使气流在叶片的叶背或叶盆处发生分离 ，使 得风轮的输 出转矩变小 ，进而降低风轮的能量转 化效率。风速小于额定风速时，需要调节攻角使 其达到最佳状态，增大风轮的输 出转矩 ，吸收可 能 多的风能转化为风轮 的动能。而风速大于额定 风速时，仍需调节攻角，使得风能利用系数降低， 以便让输 出功率保持在额定功率状态，避免风轮 收稿日期2 0 1 1 0 5 2 7 基金项目国家 “ 9 7 3 ”风电项 目大规模非并网风电系统的基础研究 作者简介张青 1 9 8 6 一，女，天津人，助教，硕士研究生，研究方向为航空发动机适航与维修和噪声控制。 【 1 1 4 ] 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 匐 ,f lu 因超载而使结构受到损坏 。 2 CF D技术在叶轮机械中的应用 C F D 计 算流体动力学 是通过计算机数 值 计算和图像显示 ，对包含流体流动和热传导等相 关物理现 象的系统所做的分析 ，它适应性 强，应 用面广。叶轮机械主要是 以叶片旋转输送流体的 机械，设计和优化的最终 目的是高效的输送流体。 传统叶轮机械 的设计是以实验为基础的设计，设 计周期长 ，费用较高 ，C F D 的运用则改变 r 传统 的设计过程 ，由于 C F D 软件可以相对准确地给 出 流体流动的细节，如速度场、压力场、温度场及 浓度场等的时变特性 ，因而不仅可 以准确预 测流 体机械的整体性能 ，还可以很容易从对流体 的分 析 中发现产品或工程设计 中的问题 ，减少未预料 到的负面影响，这样产品设计或优化对实验的依 赖性大为减少 ，能够显著缩短设计 周期 ，降低费 用。近年来 ，C F D 越来越多地应用于流体机械的 设计和流场的分析中，成为一种重要的设计和计 算方法 。 3 定桨距下的C 。 与A 的关系曲线 风 力机输 出功率与风速的三次 方成正 比。风 轮是风电机组的主要承 力件 ，也是将风能转化成 风轮的动能 的直接部件 ，其能量转化 的效率用风 能利用系数 C 。 表示，风轮特性实验的一项基本任 务便是要获得风轮的风能利用系数 C 。 与尖速比 的关系曲线。 风轮每秒内从风中获得的能量 L p v 3 x R 3 C p 1 式中，P 空气密度 ； R桨叶半径； v 风速。 对于定桨距风力发电机组 ，C 。 主要 由尖速 比 决 定 。 风轮输出的轴向功率 N MQ 2 式中，M风轮输出转矩 ； Q风轮的角速度。 由于 PN，故有 m ’ 3 式中， 2 Mk ， 。 对定桨距风力机来说 ，C 主要 由 决定 ，尖 速比为风轮叶片尖端线速度和风速的比值 ，反映 图2 定 桨距下的C 与 的关 系 了整个叶片 的相对攻角状态 。尖速 比较大值对 应 的小风速状态 ，此时攻 角较小 ；反之 ，尖速 比 较小值对应大风速状态，此时攻角较大。功率 系 数 曲线 的原理 同机翼的攻 角升力 曲线 ，尖速 比大 时，攻角较小 ，升 力较小 ，输 出转矩较小，且攻 角过小时可能发生叶盆分离，能量利用系数较小 ； 随攻 角的增大 ，升 力逐渐增大 ，直至到达某一攻 角时桨叶叶背表面开始 出现 气流失速 ，升 力从最 大位置 开始下降 ，能量利用系数也迅速下降 ，功 率系数 曲线总体趋势如 图 2所示。这是对同一风 轮转速不变，改变风速大小，以改变尖速 比 九的 大小，计算得到风能利用系数随尖速 比 入的变化 趋势 。 4 实验与数值模拟分析 现代风力机通 常是由三叶片或二叶片的上风 或下风形式组成。叶片通常 由翼型系列组 成，在 尖部使用薄翼型以满足高升阻 比的要求，而在根 部则采用用相同翼型的较厚形式 ， 以满足结构强度 的需要 ，典型运行工 况下 的雷诺数范 围是 5 1 0 ～2X 1 0 9 1 。传统 的航空翼型 ，如 NA C A4 4 XX 系列 ，N AC A2 3 0 XX 系列，由于具 有最大的升 力 系数及最低的阻力系数 ，因而成为最流行采用 的 翼 型 。 本文建立的计算模型采用的风轮与 NH 一 2风洞 试 验中采用的风轮是一样的 ⋯ ，风轮直径 1 ． 9 m， 三叶片，定桨距 ，水 平轴，上风 向。风轮 的特 征 参数见表 1 ，图 3为其在风洞 中的试验照片。 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 上 【 1 1 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 簸 蓄 j 。 “ 由图 7可知 叶 背前缘 气流速度较大，静压 较小。 叶盆气流速度较小 ，静压较大，合力矩与 气流的流动方 向相反 ，与叶片旋转方 向相 同，推 动叶片旋转 。 S t a t i c Pr e s s ur e p a s c a 1 P o s i ti o n m 图8 风轮r O ． 8 m 叶片横 截面处 的压力 系数分布线 图 8为风 轮 r O ． 8 m叶 片横截 面处 的压 力 系 数分布线 ，上面压 力系数较大的 曲线为叶盆处 的 静压系数 ，且变化幅值 较小；下面压力系数较 低 的曲线为叶背处的静压系数 ，为明显的逆压分布 ， 是发生气流分离的必要条件 。 4 ．4 ． 2风轮的气动特性曲线 图 9表示风轮在不 同的风轮转速下 ，调节风 图9 风轮在不同转速下的C 。 一 曲线 速 大小 以 改变尖 速 比所获得 的一 系列 转速 下 的 C 一九曲线簇 。由图可 见，这一组 曲线在 X 2时 分布 的 比较 集 中，但 和实验 曲线差别 比较 明显 ， 此时尖速 比较小 ，风速较大，攻角较大，在叶 背 处发生剧烈的气流分离 ，因而计算误差相对较大 ， 但仍满足计算精度要求。 图 1 0 风轮在不l 司 转 速 I 的C 。 一V曲线 风轮的最大转速为 5 5 0 r p m；在最大最佳风速 之前 的风速范 围， C 。 均可通过调 节转速达到 自己 的最大值 ；可据此制 定风轮 的控制规律 即在最 大最佳风速之前的风速范围 ，可 以按照使 C 最佳 为控制准则 ，由图 1 0分析巳知风轮的最佳尖速比 4． 表 示风轮在不 同转速下功率随风速的变化 曲 【 下转第1 2 7 页】 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 上 【 1 1 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献 【 1 】钢铁企业电力设计参考资料【 z 】 ．冶金工业出版社， 1 9 9 1 ． 【 2 】刘乾业． 移相电容器组用串联电抗器限制高次谐波电流 和涌流【 A】 ． 无功补偿和 电力电容集文集【 C】 ， 1 9 9 2 ． 【 3 】李兴唐． 并联电容器组合闸涌流的计算法【 J 】 ． 电力电容 器， 1 9 9 0 3 ． 【 4 】刘介才． 工厂供 电【 M】 ． 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 5 】林飞， 等． 电力电子应用技术的ma t l a b 仿真【 M】 ． 中国电力 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ]6 徐德鸿． 电力电子系统建模及控制【 M】 ． 机械工业出版社 2 0 o 6 ． 【 7 】张 志勇， 等． Ma t l a b R 2 0 1 0 a 教程【 M】 ． 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 l O ． {重●妇 出． 蠡‘ 鑫 {国‘ {国- ． ．{毒‘ {矗‘ 蠢‘ 盘I 岛‘ 蠡‘ {鑫‘ 矗‘ 岛‘ 矗‘ 禹 {矗‘ 蠡‘ 【 上接第1 1 7 页】 V ／ M／ S 图 l 1 风轮不 同转速速下的P-V曲线 线 P - V。 由图可知 ，同一转速下 ， 率随风速的增大而急剧上升。 5 结论 拟风洞的风轮性能并对洞壁效应取一系列风洞直 径进行研究分析。也可 以模拟 自然风场 中的风轮 气动性能。 4 网格质量对求解精 度和收敛性 的影响 网 格密度不能太稀，否则求解不精确 ，也不能太稠， 否则造成对人力和物力的浪费。 参考文献 【 1 】张建民． 风力发电在国外的发展现状及在我国的发展前 景【 J 】 ． 甘肃科技 ， 2 0 0 2 ， 2 ． 【 2 】叶杭 冶． 风力发电机组的控制技术【 M】． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 3 】荆龙， 汪 至中， 于冰 ． 风力发 电机组的空气气动力特性和 发电机的控制【 J 】 ． 太阳能， 2 0 0 7 ， 2 8 4 4 6 - 4 4 9 ． 【 4 ]张玉良． 水平轴大功率高速风力机风轮空气动力学计算 [ D】 ． 兰 州 兰州理工大学， 2 0 0 6 ． 风轮的输出功 [ 5 1 禹 ．风力发 电机设 计与运行维护【 M】 ． 北京 中国电 本文依据风洞试验风轮的特征参数 ，建立几 何模型，利用 C F D计算得出定桨距风轮在不同转 速和不 同风速下的一簇空气动力学特性曲线，并 和实验数据进行 了对比，在满足计算精度要求 的 前提下对输 出功率及风能利用 系数这两个风轮性 能 的主要指标进行 了分析 ，对影响计算精度 的各 个因素进行了讨论 。 影响数值计算结果的主要因素有 1 求解器 的选择 定常或非定常求解 ，本文 用移动坐标 系法将非定常 问题转化为定常问题求 解，在计算精度满足要求的前提下降低了计算对 计算机性能的要求并提高了收敛速度。 2 湍流模型的选择 在数值计算部分给出了 详细的阐述。 3 边界条件 的设置 不同的边界条件可以模 力 出版社， 2 0 0 2 ． 【 6 ]6 毛 君， 张利蓉 ， 丁 飞 ． 辽 宁工程技 术大学机 械工程 学院 “ 基于F L U E N T的叶轮机械内部流场的模拟研究”【 J ] ． 风力技术， 2 0 0 7 ， 4 9 - 1 1 ． 【 7 】张维智 ， 贺德馨 ． 风 力机偏航空气动力特性实验研 究【 C 】 ． 中国空气动力研究与发展中心， 1 9 8 8 ． 1 0 ． 【 8 】熊莉芳， 林源， 李世武． 湍流模型及其在F L U E N T软件中 的应用 【 J 】 ． 工业加热， 2 0 0 7 ， 4 8 - 9 ． 【 9 ]9 宋宪， 耕窦秀， 荣艾兴． 水平轴风轮空气动力性能的分析 计算【 J 】 ． 空气动力学报， 1 9 9 6 ， 1 6 2 1 2 3 ． 【 l 0 】江桂清． 大阻塞模型测压实验洞壁 干扰修正研究 【 J 】 ． 气 动实验与测控制 ，1 9 9 6 ， 1 0 3 5 3 8 ． [ 1 1 】3 - D T i me Ac c u r a t e CF D S i mu l a t i o n s o f W i n d T u r b i n e R o t o r F l o w F i e l d s[ J ] ． 4 4 t h ． AI AA Ae r o s p a c e S c i e n c e s M e e ti n g a n d E x h i b i t 9 - 1 2 J an u a r y 2 0 0 6， Re n o ， Ne v a d a ． [ 1 2 】Dr a g P r e d i c ti o n f o r Bl a d e s a t Hi g h An g l e o f AR a c k Us i n g CF D ． AI AA Pa p e r 2 0 0 4 0 8 31 ． 2 0 0 4 ，S o r e n s e n N ．N ， M i c h e l s e n J ． A． 第3 4 卷第6 期2 0 1 2 - 6 上 [ 1 2 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m