風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)課件

1、風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)劉 雄汕頭大學(xué)工學(xué)院能源研究所風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)劉 雄一、風(fēng)力機氣動分析簡介二、氣動設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題三、控制系統(tǒng)對設(shè)計的影響四、風(fēng)力機動態(tài)載荷仿真五、汕頭大學(xué)開展的相關(guān)研究工作一、風(fēng)力機氣動分析簡介二、氣動設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題三、一、風(fēng)力機氣動分析簡介1. 基本方法 葉素動量理論 勢流理論 基于解N-S方程的全流場分析方法。 目前在計算精度和計算效率上能取得良好折衷的只有葉素動量理論。一、風(fēng)力機氣動分析簡介1. 基本方法 目前在計算精度和計算2. 風(fēng)能轉(zhuǎn)換的動量理論 風(fēng)能轉(zhuǎn)換的軸動量理論來源于Rankine和Froude等在19世紀(jì)后期進行的船用螺旋槳研究的成果。假定

2、空氣為無粘性理想流體，并將風(fēng)輪理想化為一個進行能量轉(zhuǎn)換的均勻圓盤，從質(zhì)量、動量和能量守恒來研究風(fēng)能轉(zhuǎn)換的規(guī)律。因此，風(fēng)能轉(zhuǎn)換的軸動量理論被稱為圓盤理論或Rankine-Froude理論。圓盤理論合理地描述了風(fēng)輪周圍空氣速度場、壓力場的變化規(guī)律，雖然它不能描述風(fēng)輪外形參數(shù)與風(fēng)力機氣動性能之間的關(guān)系，同時也忽略了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的渦流現(xiàn)象，但它為風(fēng)力機氣動理論奠定了最早的研究基礎(chǔ)。2. 風(fēng)能轉(zhuǎn)換的動量理論動量變化能量變化定義Betz極限動量變化能量變化定義Betz極限3. 翼型理論影響氣動系數(shù)的其它主要因素有：雷諾數(shù)、厚度、彎度、表面光滑度、前緣曲率、粗糙靈敏度、后緣厚度等3. 翼型理論影響氣動系數(shù)的

3、其它主要因素有：雷諾數(shù)、厚度、彎4. 水平軸風(fēng)力機的葉素動量理論葉素動量理論起源于19世紀(jì)后期提出的圓盤理論1912年Joukowski提出誘導(dǎo)速度分析的方法1919年Betz提出優(yōu)化極限1919年P(guān)randtl提出葉尖損失修正模型1922年Glauert提出優(yōu)化理論和模型修正1974年Wilson對葉素動量理論應(yīng)用于現(xiàn)代風(fēng)力機進行了系統(tǒng)的理論描述，形成了較完整的風(fēng)力機葉素動量理論體系。葉素動量理論也被稱為片條理論(Strip Theory）。4. 水平軸風(fēng)力機的葉素動量理論葉素動量理論的主要假定：(1) 通過風(fēng)輪掃掠面的流動可以劃分為大量的同心的環(huán)形單元，這些單元被假定是彼獨立的，沒有徑向的

4、相互作用。(2) 風(fēng)速在各環(huán)形單元上均勻分布，葉片對環(huán)形單元流動的作用力是不變的，就像有無數(shù)多均勻分布的葉片一樣。在非均勻風(fēng)場中，每個環(huán)形單元也被分成許多小段，這些小段也被假定為互不影響。(3) 沿徑向的流動分量可以忽略，因此，二維翼型理論的氣動數(shù)據(jù)可以被采用。葉素動量理論的主要假定：對dr寬圓環(huán)根據(jù)動量和角動量守恒：對dr寬圓環(huán)根據(jù)動量和角動量守恒：定義：采用迭代法求解上述黃色框定義的方程后，即可計算葉片單位長度上的氣動力載荷：定義：采用迭代法求解上述黃色框定義的方程后，即可計算葉片單位5. Glauert優(yōu)化理論極值條件由于誘導(dǎo)速度垂直于相對速度5. Glauert優(yōu)化理論極值條件由于誘導(dǎo)

5、速度垂直于相對xaaCPCL0.25 0.280 1.364 50.6 0.176 1.4634 0.50 0.298 0.543 42.3 0.289 1.0398 0.75 0.310 0.294 35.4 0.364 0.7398 1.00 0.317 0.183 30.0 0.416 0.5359 1.25 0.322 0.124 25.8 0.451 0.3997 1.50 0.324 0.089 22.5 0.477 0.3039 1.75 0.326 0.067 19.8 0.496 0.2359 2.00 0.328 0.052 17.7 0.511 0.1894 2.50 0

6、.330 0.034 14.5 0.532 0.1276 3.00 0.331 0.024 12.3 0.545 0.0919 3.50 0.331 0.018 10.6 0.555 0.0681 4.00 0.332 0.014 9.4 0.562 0.0538 4.50 0.332 0.011 8.4 0.566 0.0429 5.00 0.332 0.009 7.5 0.570 0.0342 5.50 0.332 0.007 6.9 0.573 0.0289 6.00 0.333 0.006 6.3 0.576 0.0242 7.00 0.333 0.004 5.4 0.580 0.01

7、78 8.00 0.333 0.004 4.8 0.582 0.0140 9.00 0.333 0.003 4.2 0.584 0.0107 10.00 0.333 0.002 3.8 0.585 0.0088 xaaCPCL6. 葉素動量理論模型的修正上面建立的葉素動量理論的基本體系雖然從理論上完整描述了水平軸風(fēng)力機氣動分析和氣動設(shè)計的原理和方法，但實際風(fēng)力機一般不能滿足葉素動量理論的三個基本假定，必須對理論模型進行針對性的改進。對基本模型進行了修正后的葉素動量理論也被稱為改進的片條理論，是現(xiàn)代風(fēng)力機氣動分析中廣泛采用的方法。葉尖損失修正湍流尾渦修正葉柵效應(yīng)修正風(fēng)輪幾何參數(shù)6. 葉素動量理論

8、模型的修正7. 葉片氣動外形設(shè)計7. 葉片氣動外形設(shè)計風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)課件風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)課件1. 風(fēng)場湍流模型可以正確反映湍流時空結(jié)構(gòu)的風(fēng)場湍流模型和分析方法；湍流風(fēng)場對風(fēng)力機疲勞載荷和極端載荷分析的作用和影響；超大風(fēng)速、強湍流度下的風(fēng)力機非定常隨機過程的分析方法；有限長度湍流風(fēng)樣本對載荷結(jié)果的影響。二、氣動設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題1. 風(fēng)場湍流模型二、氣動設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)課件早期風(fēng)力機設(shè)計假定穩(wěn)態(tài)風(fēng)速，并對風(fēng)場剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)進行模擬。簡化模型雖然可以較好地計算風(fēng)力機周期性載荷，但無法計算由風(fēng)場湍流引起的隨機載荷；湍流風(fēng)場建模目前主要基于von Karman模型

9、或Kaimal模型生成3維湍流風(fēng)場用于載荷計算的風(fēng)況輸入。處于湍流風(fēng)場中的葉輪早期風(fēng)力機設(shè)計假定穩(wěn)態(tài)風(fēng)速，并對風(fēng)場剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)進行模風(fēng)力機輪轂處湍流風(fēng)速脈動的時域過程由于湍流風(fēng)速變化可以達到穩(wěn)態(tài)風(fēng)速的量級，研究可以正確反映湍流時空結(jié)構(gòu)的風(fēng)場湍流模型對風(fēng)力機疲勞載荷和極端載荷的確定具有重要意義。風(fēng)力機輪轂處湍流風(fēng)速脈動的時域過程由于湍流風(fēng)速變化可以達到穩(wěn) 湍流風(fēng)場算例輪轂中心高68m,風(fēng)輪直徑65m,平均風(fēng)速12m/s的計算結(jié)果輪轂中心處的縱向風(fēng)速Z0=0.03mZ0=0.2m高度(m)平均風(fēng)速(m/s)標(biāo)準(zhǔn)差(m/s)湍流強度(%)高度(m)平均風(fēng)速(m/s)標(biāo)準(zhǔn)差(m/s)湍流強度(%

10、)100.5012.71.4711.6100.512.62.1116.784.2512.41.5112.284.2512.42.1317.268.0012.01.5412.868.0012. 02.1618.151.7511.61.5613.451.7511.62.1918.835.5010.91.5814.535.5011.02.2320.3統(tǒng)計結(jié)果 湍流風(fēng)場算例輪轂中心高68m,風(fēng)輪直徑65m,平均風(fēng)速12. 動態(tài)空氣動力學(xué) 動態(tài)的工作環(huán)境，使得準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的葉素動量理論不再適用。 風(fēng)湍流 風(fēng)輪的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng) 機組的偏航、變轉(zhuǎn)速、變槳運動 大型機組柔性葉片和塔架的變形和振動 氣動與結(jié)構(gòu)相互影響流

11、固耦合2. 動態(tài)空氣動力學(xué)研究湍流風(fēng)場作用下動態(tài)過程分析采用的動態(tài)氣動模型；確定動態(tài)氣動模型在葉素動量理論體系中的應(yīng)用方法；分析動態(tài)入流模型對速度誘導(dǎo)因子變化率的作用；研究用動態(tài)失速模型修正攻角時變下的翼型氣動參數(shù)的方法；考慮動態(tài)失速時計算氣動阻尼的分析方法。得到應(yīng)用動態(tài)氣動模型分析風(fēng)力機動態(tài)過程的方法和工具，解決氣動彈性分析問題。研究內(nèi)容研究湍流風(fēng)場作用下動態(tài)過程分析采用的動態(tài)氣動模型；研究內(nèi)容 動態(tài)入流(動態(tài)尾流)快速變槳時機組的功率輸出實測值與BEM計算結(jié)果的對比 動態(tài)入流(動態(tài)尾流)快速變槳時機組的功率輸出實測值與BE采用加速勢流理論對BEM模型進行修正后的結(jié)果快速變槳距時軸向誘導(dǎo)速度

12、和切向誘導(dǎo)速度的計算結(jié)果快速變槳距時葉片根部彎矩和氣動轉(zhuǎn)矩的計算結(jié)果采用加速勢流理論對BEM模型進行修正后的結(jié)果快速變槳距時軸向 動態(tài)失速動態(tài)失速現(xiàn)象 動態(tài)失速是指當(dāng)翼型經(jīng)歷周期性的或非定常的運動時，發(fā)生失速延遲的復(fù)雜現(xiàn)象：當(dāng)一個翼型振蕩或者俯仰經(jīng)過靜態(tài)失速攻角時，失速發(fā)生時的攻角遠遠超過靜態(tài)失速攻角，氣動力系數(shù)也極大地偏離穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)失速真正發(fā)生時，失速的程度遠較靜態(tài)失速劇烈；對于振蕩的翼型，失速一直保持到比靜態(tài)失速更小的攻角。 動態(tài)失速動態(tài)失速現(xiàn)象 動態(tài)失速是指當(dāng)翼型經(jīng)動態(tài)失速的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停篛NERA模型，ye模型，Beddoes-Leishman模型等。采用B-L模型對NACA 63-418

13、翼型在動態(tài)失速時的升阻力系數(shù)計算結(jié)果動態(tài)失速的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停篛NERA模型，ye模型，BeddoeFFA-W3-241翼型的動態(tài)失速特性計算結(jié)果與實驗值的對比實驗數(shù)據(jù)來自丹麥Ris國家實驗室在VELUX風(fēng)洞進行的翼型風(fēng)洞試驗FFA-W3-241翼型的動態(tài)失速特性計算結(jié)果與實驗值的對比某1.5MW風(fēng)力機在12m/s湍流風(fēng)下升阻力系數(shù)計算結(jié)果某1.5MW風(fēng)力機在12m/s湍流風(fēng)下升阻力系數(shù)計算結(jié)果3. 氣動阻尼 氣動阻尼是由葉片截面翼型的固有氣動特性引起的，其大小在很大程度上依賴于翼型升、阻力系數(shù)隨攻角變化曲線的斜率。 非失速條件下，為正氣動阻尼；但失速工況下，升力系數(shù)隨攻角上升而下降，即升力系數(shù)曲線

14、斜率為負，此時氣動阻尼減小，甚至下降為負氣動阻尼。當(dāng)負氣動阻尼為振動提供的能量大于結(jié)構(gòu)阻尼可以吸收的能量時，就會發(fā)生由失速引起的振動，造成葉片損壞。 但在動態(tài)工況下，由于動態(tài)失速效應(yīng)的影響，翼型的升、阻力系數(shù)隨攻角變化的幅度和趨勢不可預(yù)知，因此需要在時域過程中每個時間點實時計算。3. 氣動阻尼 氣動阻尼是由葉片截面翼型的固振動葉片速度圖解某1MW風(fēng)力機在12m/s湍流風(fēng)下葉片氣動模態(tài)阻尼比的計算結(jié)果振動葉片速度圖解某1MW風(fēng)力機在12m/s湍流風(fēng)下葉片氣動模氣動阻尼對葉片結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響氣動阻尼對葉片結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響風(fēng)力機動態(tài)氣動過程分析需考慮的影響因素風(fēng)力機動態(tài)氣動過程分析需考慮的影響因素風(fēng)力機

15、多體動力學(xué)模擬的有限元建模風(fēng)力機多體動力學(xué)模擬的有限元建模4. 風(fēng)力機專用翼型的氣動性能發(fā)展翼型氣動數(shù)據(jù)測試技術(shù)，得到任意形狀翼型的氣動實測數(shù)據(jù)；建立能適應(yīng)大攻角的粘性流體N-S方程翼型分析計算模型；研究翼型多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計適用于風(fēng)力機全工況的新翼型系列并計算其氣動性能數(shù)據(jù)。4. 風(fēng)力機專用翼型的氣動性能5. 葉片氣動優(yōu)化設(shè)計建立能滿足風(fēng)力機葉片氣動、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性要求的多目標(biāo)優(yōu)化方法；通過對翼型、相對厚度、弦長、扭角等外形參數(shù)沿展向的分布特性進行優(yōu)化計算，得到滿足氣動最優(yōu)的設(shè)計方法；考慮結(jié)構(gòu)和制造的工藝性要求，在保證氣動性能指標(biāo)的前提下，研究葉片氣動外形的修正方法。氣動設(shè)計的首要目標(biāo)是

16、保證風(fēng)輪在嚴酷的自然風(fēng)條件下工作20年！5. 葉片氣動優(yōu)化設(shè)計氣動優(yōu)化設(shè)計氣動優(yōu)化設(shè)計大型風(fēng)力機設(shè)計的典型過程大型風(fēng)力機設(shè)計的典型過程三、控制系統(tǒng)對設(shè)計的影響定轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速失速控制、變槳距控制、主動失速控制三、控制系統(tǒng)對設(shè)計的影響定轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計的重要性不同的控制策略對風(fēng)力機的載荷有很大的影響；設(shè)計時需要折衷考慮不同的因素；設(shè)計時需要考慮氣動和結(jié)構(gòu)的影響，對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。發(fā)電運行控制目標(biāo)和折衷額定功率以下實現(xiàn)最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；額定功率以上恒功率運行；避免過多的調(diào)速和變槳運動；避免共振；降低載荷（極限、疲勞）：避免尖峰載荷，傳動鏈的疲勞載荷，共振時主動加阻 控制系統(tǒng)設(shè)計的重要性四、

17、風(fēng)力機動態(tài)載荷仿真1. 載荷仿真的必要性嚴酷的工作條件和20年的設(shè)計壽命；機組運行過程中，自然風(fēng)、風(fēng)輪的氣動響應(yīng)和機組的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相互影響；必須獲得各部件精確的極限載荷和疲勞載荷，才能得到零部件設(shè)計的邊界條件。使用全系統(tǒng)動態(tài)載荷分析軟件，才能精確模擬風(fēng)力機動態(tài)運行過程，獲得精確的極限載荷與疲勞載荷。四、風(fēng)力機動態(tài)載荷仿真1. 載荷仿真的必要性兆瓦級風(fēng)力機的維護成本兆瓦級風(fēng)力機的維護成本風(fēng)力機氣動設(shè)計技術(shù)課件2. 全系統(tǒng)載荷分析軟件的架構(gòu)時域風(fēng)場空氣動力學(xué)風(fēng)載荷時間序列結(jié)構(gòu)屬性傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)隨機或規(guī)則波浪流體動力學(xué)波浪載荷時間序列結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)時間序列時序分析極限載荷疲勞載荷2. 全系統(tǒng)載荷分

18、析軟件的架構(gòu)時域風(fēng)場空氣動力學(xué)風(fēng)載荷時間常用的仿真軟件GH BladedFLEX5, LACFlexFASTHAWCFOCUS 常用的仿真軟件3. 載荷計算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-1 Wind turbines Part 1: Design requirements;IEC 61400-3 Wind turbines Part 3: Design requirements for offshore wind turbines ;GL: Guideline for the certification of wind turbines;GL: Guideline for the Certif

19、ication of Offshore Wind Turbines3. 載荷計算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)4. 符合IEC設(shè)計規(guī)范的陸上風(fēng)力機載荷計算要求仿真的工況4. 符合IEC設(shè)計規(guī)范的陸上風(fēng)力機載荷計算要求仿真的工況5. 載荷輸出5. 載荷輸出汕頭大學(xué)是廣東省 “211工程”重點建設(shè)學(xué)校。學(xué)校的建設(shè)一直得到著名愛國人士李嘉誠先生的鼎力資助。經(jīng)過二十多年的努力，已具有國家重點學(xué)科、教育部重點實驗室和博士學(xué)位授予權(quán)。 汕頭大學(xué)能源研究所成立于1993年，主要從事大型風(fēng)力機空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究；風(fēng)力機計算機輔助設(shè)計及軟件開發(fā)；風(fēng)力機建模、仿真及控制研究。有一支穩(wěn)定的研究隊伍。五、汕頭大學(xué)開展的相關(guān)研究

20、工作汕頭大學(xué)是廣東省 “211工程”重點建設(shè)學(xué)校。學(xué)校的建設(shè)一直研究所承擔(dān)的國家級項目1. 國家自然科學(xué)基金項目“考慮葉片柔性變形的風(fēng)力機氣動彈性問題研究”, 2011.12. 國家自然科學(xué)基金項目“基于柔性多體系統(tǒng)模型的風(fēng)力機動態(tài)氣動特性研究”，2008.13. 國家自然科學(xué)基金項目“基于動態(tài)氣動力學(xué)的風(fēng)力機失速特性研究”，2007.14. 國家科技支撐計劃子課題“風(fēng)電機組葉片氣動優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)動力分析”，2006.125. 國家科技支撐計劃子課題“近海風(fēng)電場風(fēng)力機氣動及結(jié)構(gòu)動力分析”，2006.126. 國家科技支撐計劃子課題“1.52.5 MW雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組總體設(shè)計技術(shù)研究”，2

21、006.127. 國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化子項目“1.5MW變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)”，2005.108. 國家“863計劃”課題“風(fēng)力機全系統(tǒng)載荷分析及優(yōu)化設(shè)計軟件”，2002.89. 國家“863計劃”子課題“兆瓦級變速恒頻風(fēng)電機組氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)”，2001.1010. 國家自然科學(xué)基金項目“三維紊流風(fēng)場作用下的風(fēng)力機動態(tài)性能研究”，2001.111. 國家自然科學(xué)基金項目“適用于風(fēng)力機全工況的新系列翼型研究”，2000.112. 國家自然科學(xué)基金項目“基于敏感性分析的風(fēng)力機氣動彈性穩(wěn)定性研究”，1997.113. 國家“九五”攻關(guān)子項“風(fēng)輪氣動設(shè)計與動力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究”，

22、1997.114. 國家“九五”攻關(guān)子項“風(fēng)力機氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件開發(fā)”，1996.115. 國家自然科學(xué)基金項目“大型風(fēng)力機槳葉三維粘性流場及氣動特性分析”，1996.1近5年完成了20余項廣東省項目研究所承擔(dān)的國家級項目1. 國家自然科學(xué)基金項目“考慮葉片柔近5年承擔(dān)的橫向課題1. 江西長能風(fēng)電科技有限公司“CN1500A風(fēng)力機載荷計算與分析”，2010.12. 中材科技風(fēng)電葉片有限公司“1MW風(fēng)力機葉片氣動設(shè)計及載荷分析”, 2009.83. 四川東方汽輪機廠“1MW風(fēng)力機載荷計算與分析”, 2007.124. 廣州英格風(fēng)電設(shè)備制造有限公司“YT850A 風(fēng)力發(fā)電機組載荷計算與分析”，2008.35. 沈陽中科天道新能源裝備股份有限公司“TE1500 風(fēng)力發(fā)電機組載荷計算與分析”，2008.66. 成都阜特科技有限