風力發(fā)電機組 葉片設計理論

12一、風力發(fā)電機風輪技術的發(fā)展一、風力發(fā)電機風輪技術的發(fā)展風輪是風力發(fā)電機吸收風能的關鍵部件，把風能轉化成機械化能是由風力機的風輪完成的，它直接決定風力發(fā)電機的重要性能指標—風能利用系可靠的質量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。1888年，美國的CharlesF．Brush制成了世界上第一個用于發(fā)電的風力發(fā)電機，葉片采取平板設計，所以效率較低。31891年，丹麥的PoulLaCour教授首先將氣體動力學引入風力發(fā)電機的研究，是世界上第一個利用風洞實驗研究風力發(fā)電機的科學家，為設計和制造性能良好的風力發(fā)電機開辟了新途徑。20世紀初，空氣動力學的蓬勃發(fā)展和飛機的發(fā)明使人們對葉片的氣動設計更為重視。1925年，美國的雅克布斯風力發(fā)電機生產廠發(fā)明了三葉片螺旋槳型葉輪，使水平軸葉輪的效率及性能均得到了較大提高。4隨著風電技術的發(fā)展，風力發(fā)電機葉輪技術也在迅速發(fā)展。在空氣動力學方面最重要的發(fā)展是進瑞典和丹麥等風能技術發(fā)達國家都發(fā)展各自的翼型系列，這些翼型系列各具特點。美國的SERI系列翼型具有較高的升阻比和一定的最大升力系數(shù),失速時對翼型表面的粗糙度敏感性低,而NREL系列翼型能有效減小由于槳葉表面粗糙度增加而造成的風輪性能下降,并且能增加能量輸出和改善功率控制；5丹麥的RISФA系列翼型在接近失速時具有較大的升阻比,并且具有對前緣粗糙度的不敏感性；瑞典的FFA-W翼型系列具有較高的最大升力系數(shù)和升阻比,并且在失速工況下具有良好的氣動性同時,采用柔性葉片也是一個發(fā)展方向,利用新型材料進行設計制造,使其根據(jù)風況的變化能夠改變空氣動力型面,從而改進空氣動力性能和葉片受力狀況,增加可靠性和對風能的捕獲量。6另外在開發(fā)新的空氣動力裝置上也進行了大量嘗試,如在水平軸風力機葉端加一小翼以增加風力機的功率輸出。對于葉片的材料,隨著葉片尺寸的不斷增大,主要朝大型化和輕量化的方向發(fā)展,由最初的木質品逐步過渡到玻璃鋼,現(xiàn)在采用碳纖維復合材料(CFRP)的大型葉片制造技術是大型風力機制造7風輪的組成部件，主要是葉片。風力發(fā)電機的風輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風能轉變成機械能的，必須懂得有關翼型的空氣動力學知識。8風力機空氣動力學的基本概念葉片翼型的幾何形狀與空氣動力特性風輪的組成部件，主要是葉片。風力發(fā)電機的風輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風能轉變成機械能的，必須懂得有關翼型的空氣動力學知識。9現(xiàn)代風力發(fā)電機風輪葉片的剖面形狀如圖1所示。先考慮一個不動的翼型受到風吹時的情況。風的速度為矢量，方向與翼型平面平行，有關翼型幾何形狀定義如下：VLVLMθAiNB翼型的尖尾點B為后緣，圓頭上A點稱為前緣。連接前、后緣的直線AB=l,稱為翼弦。AMB為翼型上表面，ANB稱為翼型下表面。從前緣到后緣的虛線叫做翼型的中張線。迎角i是翼型與來流速度矢量之間的夾角。下面考慮風吹過葉片時所受的空氣動力。翼剖面上的壓力分部如圖2所示。上表面壓力為正，下表面壓力為負，下表面壓力為正。合力如圖3所示。低壓圖2翼剖面上的壓力圖3翼剖面上的合力合力可用下式表達：式中：pS2F=2pCrSV—空氣密度，kg/m3；—總的氣動力系數(shù)。這個力可以分解為兩個分力：垂直于氣流速度的分力——升力平行于氣流速度的分力——阻力FdFL和Fd可用下式表示：CL和Cd分別別為翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由于這兩個力互相垂直，所以圖4翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線圖4翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線圖5翼剖面的阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線假設將受影響的空氣與那些沒有經(jīng)過風輪圓盤、沒有減速的空氣分離出來，那么就可以畫出一個包含受到影響的空氣團的邊界面，該邊界面分別向上游和下游延伸，從而形成一個橫截面為圓形的長的氣流管（如圖6所示）。如果沒有空氣橫穿邊界面，那么對于所有的沿氣流管流向位置的空氣質量流量都相等。但是因為流管內的空氣減速，而沒有被壓縮，所以流管的橫截面積就要膨脹以適應減速的空氣。風力機的存在導致上游剖面接近風輪的空氣逐漸減速以至于當空氣到達風輪圓盤時其速度已經(jīng)低于自由流風速了。風速的降低導致了流管膨脹，因為其速度沒有對氣體或通過氣體來做功，所以氣體的靜壓將上升以吸收其動能的減少。當空氣經(jīng)過風輪圓盤時顯然有靜壓降存在，以至于空氣離開風輪時其壓力會小于大氣壓力?？諝饬骶蜁詼p小的速度和靜壓向下游前進——這個氣流域被稱為尾流。最終，為了保持平衡，下游遠端尾流的靜壓要與大氣壓保持一致。動能的消耗使靜壓增加，從而導致風速進一步降低。因此在上游剖面遠端和尾流遠端之間，靜壓沒有發(fā)生變化，但是有動能減一、貝茨（Betz）理論二、葛勞渥旋渦理論三、動量理論四、葉素理論五、schmitz理論六、葉柵理論貝茨理論的建立，是假定風輪是“理想”的，全部接受風能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風輪軸線的），這時的風輪稱為“理想風輪”。ss2v1s1vv2vv分析一個放置在移動的空氣中的“理想風輪”葉片上所有受到的力及移動空氣對風輪葉片所做的風輪掃掠后的風速面積為s2。風吹到葉片上所做的功是將風的動能轉化為葉片轉動的機械能，則必有v于是于是風單位時間作用在葉片上的力由動量定理求得式中：PF=Psv(v2-v1)—空氣當時的密度，kg/m3；—單位時間流過的空氣質量，kg。風輪所接受的功率為N=Fv=psv2(v2-v1)經(jīng)過風輪葉片的風的動能轉化N=ΔT2因此，風作用在風輪葉片上的力F和風輪輸出的功率N分別為2N=4ps(v1-v2)(v1+v2)令其等于0，求解方程，得1求Nmax得令=0.593為Cp,稱作貝茨功率系數(shù)（或稱作理想風能利用系數(shù)）,有而psv1正是風速為v1的風能,故N=CTmaxppC=0.593說明風吹在葉片上,葉片所能獲得的最p大功率為風吹過葉片掃掠面積風能的59.3%.貝茨理論說明,理想的風能對風輪葉片做功的最高效率通常風力機風輪葉片接受風能的效率達不到59.3%，一般設計時根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25～0.45。風輪空氣動力學的幾何定義風輪軸：風輪旋轉運動的軸線。旋轉平面：與風輪軸垂直，葉片在其旋轉的平面。風輪直徑：風輪掃掠面的直徑。葉片軸：葉片縱向軸，繞此軸可以改變葉片相對于旋轉平面的偏轉角（安裝角）。在半徑r處的葉片截面：葉片與半徑r并以風輪軸為軸線的圓柱相交的截面安裝角或槳距角：在半徑r0處翼型的弦線與旋轉面二、葛勞渥旋渦理論旋渦理論的優(yōu)點在于考慮了通過葉輪的氣流誘導轉動。葉輪旋轉工作時，流場并不是簡單的一維定常流動，而是一個三維流場，在流場中會形成一種是由于氣流流經(jīng)旋轉的葉輪，通過葉片尖部的氣流跡線為螺旋線，在流場中形成螺旋渦流；同樣在輪轂附近有同樣的旋渦形成中心渦流；另外，氣流通過葉片時，由于葉片表面上下壓力不同，也形成渦流，這個渦流叫邊界渦流。正因即引入誘導因子。軸向方向上，由于氣流旋渦運動，在高速時形成一個平面阻礙氣流在軸向方向上運動，引入軸向誘導因子a。周向方向上，由于氣流旋渦運動，氣流在下游周周向方向上，由于氣流旋渦運動，氣流在下游周向方向上產生一個旋轉角速度z，上游周向方向的角速度為0，引入周向誘導因子a’。而假定葉輪以論的思想可得出：氣流在葉輪處的角速度為(z+0)/2，則在葉輪平面內氣流對葉輪的角速度為ω′w=w+z2Z=(a'-1)w氣流對葉輪的角速度(2)三、動量理論-P+PVV∞V2 -P+PVV∞V2 圖9動量理論簡圖在葉輪上r--r+dr的環(huán)域內應用動量定理（如圖9），則風作用在該環(huán)域上的軸向推力為dF=dm(V∞-V2)=2πrdrV(V∞-V2)(3)式中：V∞—來流風速，m/s；V—葉輪處的風速，m/s；V2—葉輪后很遠處的風速，m/s。由于葉輪前后有壓力差ΔP=P+-P-，則軸向力又可用下式表示：dF=2πrdr(P+-P-)(4)利用伯努利方程得P∞+1/2ρV∞2=P++1/2ρV2P∞+1/2ρV22=P-+1/2ρV2以上二式相減并代入式（4），則dF=ρπrdr(V∞2-V22)(5)聯(lián)立(3)、(5)兩式，可得V=（V∞+V2）/2(6)因為引入軸向干擾因子，則將上式分別代入式(6)，式(5)得2dF=2)作用在環(huán)形面上的轉距作用在環(huán)形面上的轉距dM利用角沖量定理，由于dm—氣流通過葉輪時質量的變化d將式(7)代入式(9)得(10)將式(2)代入式(10)得∞(11)dr(1+a)(a'-1)葉素理論是將葉片沿展向分成幾個微段（一般化分為十個微段），每個微段稱為一個葉素。這里假設作用在每個葉素上的力相互之間沒有干擾，葉素本身可以視為一個二元翼型。研究葉片的受力情況，一般以葉素為研究對象，分析葉素上所受的力和力矩，然后沿翼展方向上積分，即可求得葉片上所受的力和力矩。V圖10在半徑r處的葉片截面圖11安裝角流中的受力分根據(jù)二元翼型理論，作用在翼型上的升力和阻力為式中：式中：dFL—翼型升力，方向與氣流相對葉輪的相對速度dFD—翼型阻力，方向與氣流相對葉輪的相對速度W—氣流對葉素的相對速度，m/s；ρ—空氣密度，kg/m3；C—距轉軸r處的翼型弦長，m；Cl、Cd—分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)，Cl、Cd值由所選翼型決定。dFy=dFLsinI-dFDcosI=pCW2dr(ClsinI-CdcosI)(4)將上式代入式(3)、式(4)并消去Cd整理得，所以Cd=Cltgε那么，作用在（r，r+dr）環(huán)域上的葉素所受的軸式中：B—葉片數(shù)。轉矩dM=BdFyr=）式中：令從流經(jīng)環(huán)形面積（r,r+dr）的氣流中獲得的最大3+a)(a'1)（13）（14）ε=0，代入式得由式(9)由式(9)得將以上兩式聯(lián)立可推出把式(15)代入式(14)得對于給定的λ值，當，dCp/da0時d2Cp/da2<0令，cosθ式中：θ-所采用的中間變量(17)33將式(17)代入式(16)，并在等式兩邊同除以(λ2+1)24cos3θ-3cosθ=cos3θ所以cos3θ=-可見當θ取到一定值時,葉片不同截面處滿足風能系數(shù)達到最大值,利用式(17)、式(15)、式(11)、式(7)可相應得出在不同截面處的周向誘導因子,軸向誘導因子,葉弦弦長,氣相角等幾何參數(shù)。λ,λ=λ0；(3)由式(18)求