水平轴风力机的桨叶设计技术.pdf

第四章#水平轴风力机的桨叶设计技术 本章主要讨论水平轴风力机的桨叶设计! 它包括桨叶的外形设计! 风力机的空气动 力学性能计算! 作用在叶片和风轮上的外载荷计算! 桨叶的材料选用! 桨叶的结构设计和 强度“ 刚度计算等内容#水平轴风力机的整机设计将在下一章中详细讨论# 在阐述桨叶设计之前! 先对水平轴风力机的主要组成作一简要介绍# 第一节#水平轴风力机的主要组成 水平轴风力机一般由下述七个部分组成$ 如图!(所示% # 图!(#水平轴风力机的主要组成一例 (风轮9! 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ 轮通常由几何形状一样的两个以上叶片组成! 有的风力机的风轮也有用一个叶片的“ # 风轮使空气运动的速度减慢$ 在空气动力的作用下$ 风轮绕轴旋转并将风能转变为机械 能#风轮在风力作用下旋转的情形$ 很像一个转动的轮子$ 因而有时也把它叫做转子# 另外也有人叫它为叶轮# 二、 控制系统 a调速控制 在风力机工作过程中$ 由于风速和风向是不断改变的$ 因而风力机的转速和输出功 率也是不断改变的#对于风力机的某些应用$ 转速的变化对工作影响不大$ 如风力机驱 动水泵% 变速恒频风力发电机等#但对大多数风力机$ 则要求风轮的转速保持恒定$ 即无 论风速怎样变化$ 风轮转速要保持一定$ 因而要求有转速控制机构#另一方面$ 当风速很 大时$ 调速系统可以用来限制功率并减少叶片上的作用力$ 调速控制对于风力机的结构 和寿命是很关键的#设计风力机一定要设法防止风轮过转速或飞车的发生# *a方向控制 垂直轴风力机可接受任意方向吹来的风$ 因而不需要方向控制机构#但对水平轴风 力机$ 为了得到较高的效率$ 应使它的风轮经常对准风向$ 因而大多数水平轴风力机都有 方向控制机构#图!(中的尾舵就是一种方向控制装置# #a安全控制 风力机必须备有安全控制机构! 防强风机构“ $ 对小型风力机它常和调速机构相关连 或一致#停机控制使风力机在需要进行维修时% 或发生不正常运行时% 或预计发生破坏 性强风时$ 使风力机停止运转# 三、 轮毂和主轴 风力机叶片和主轴的连接处$ 称为轮毂#无论在结构上还是在强度上$ 轮毂和主轴 的设计都是十分重要的# 四、 增速机构 当风力机驱动发电机时$ 通常发电机的额定转速要比风力机的风轮转速高很多$ 这 时风轮必须通过增速机构来带动发电机# 五、 作功装置 风轮所获得的机械能$ 用来带动各种工作机械$ 如发电机% 提水机% 粉碎机等$ 这些工 作机械就称为风力机的作功装置#不少风力机的命名$ 如风力发电机% 风力提水机等就 与这些作功装置相关联# 六、 蓄能装置 由于风时大时小$ 时有时无$ 因而风力机的输出功率不可能一直是稳定的$ 这样能量 的储备就十分必要#可以把有风和大风时获得的能量用蓄能装置储存起来$ 供无风和小 ! % 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ 器没有过速! 那么运转于较高尖速比状态下的机器! 就具有较高的风轮效率“对于特定 的风轮! 其尖速比不是随意而定的! 它是根据风力机的类型# 见表!(*$ % 叶片的尺寸和电 机传动系统的参数来确定的“不同的叶尖速比意味着所选用或设计的风轮实度具有不 同的数值# 见图!(“$ “所要求设计的尖速比! 是指在此尖速比上! 所有的空气动力学参 数接近于它们的最佳值! 以及风轮效率达到最大值“ 图!(#!6“#尖速比和风能利用系数关系 图!(#!:“#尖速比和风能利用系数的关系 ! ! % 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ 相关的一个重要设计参数!图!(!是a 2 2 p )的研究结果!由图可知“ 对风力提水机# 因 为需要转矩大# 因此风轮实度取得大# 对风力发电机# 因为要求转速高# 因此风轮实度取 得小!自起动风力机的实度是由预定的起动风速来决定的# 起动风速小# 要求实度大! 通常风力机实度大致在+a其他 $ % 风轮中心离地高度# 是指风轮中心离安装处地面高度! $ *% 风轮锥角!风轮锥角是叶片相对于和旋转轴垂直平面的倾斜度!锥角的作用是 在风轮运行状态下利用离心力的卸荷作用# 以减少气动力引起的叶片弯曲应力和防止叶 片梢部与塔架碰撞的机会! ( #;! ( 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ ! #“ 风轮倾角#风轮倾角是风轮相对于和旋转轴平行的平面的倾斜度$ 倾角的作用 主要是减少叶片梢部与塔架碰撞的机会# 第三节#贝兹理论 下面应用一元定常流动的动量方程$ 来讨论理想状态下的风力机的最大风能利用系 数#我们假定% ! “ 风轮没有锥角.=a + b # ! !(;“ 这就是著名的贝兹极限$ 实际风轮的风能利用系数如图!(#所示$ 第四节#桨叶的外形设计 一个叶片的外形设计包括! 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ ?3? 8?* * ! !(b“ 图!(;#叶素上受力简图 当? *3? # 时# 风轮的出力最大$由此得轴向推力h和h?的表达式为 h3! b# u ? * ! !( =“ ?3* #? ! !( “ 假定轴向推力的作用正比于所作用的面积 i h3#? *i u3* / #? * ) i ) ! !( *“ % 9;! % 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ 由图!(;我们得到 i 13 *# 41z * 4 i ) #! 升力元“ ! !( #“ i f3 *# 4fz * 4 i ) ! 阻力元“! !( !“ i e3 i 1 4 d w 6 ! 合力元“! !( +“ z3 ? w j k) ! 合速度“! !( 9“ 由此 i e3 *# “ 由图还可得 i l03i e 4 $ w! )( 6 “ i h3% i l03 *# ;! # 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ “ 确定叶片扭角#最后根据 ! * 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ )!e#=a #=a *#=a #=a !#=a +#=a 9#=a ;#=a “#=a b#a = (=a + 9a *a 9 “*a * !*a “ #a # 9#a b *!a ! “+a = !+a 9 “ +# 确定每个剖面的来流角)$可根据图“!(b# 来确定每个剖面的来流角)亦可以 用公式4 d 2 )3# * (来计算% 结果如下 9a 9 #a ! “ 度#! *a + * *a b + #a “ + “a ; +a + + )!e=a 9=a ;=a “=a ba = )“ 度# a * ba “a +;a +9a “ “ 度#a # +a b +=a 9 +(=a # + (a = + 图!(“#叶轮实度与尖速比的关系 图!(b#来流角与尖速比的关系 #“9# 确定每个剖面的形状参数s“ 参考图!( =# $亦可用公式计算 s3 9 / b e!) (=( * =“ # ) e * 8 ( ! b 结果见下表=a 9 b )!e=a 9=a ;=a “=a ba = s=a ! b=a # 9=a * “=a * *=a “ “ ;# 选取翼型$本例选取l , 9 =( * 9翼型% 当1!f3 = =时% 攻角6 3+ % 此时升力系 数! 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ 图!( =#形状参数与尖速比关系 * =a * =a ; = + )$e=a 9=a ;=a “=a ba = % 於风轮半径)处环素上的轴向推力为 ! 9a ; “ ; #=a 9 *ba “ b+ *a + =a #=a * “ ! a = “ ! !=a * *“a 9 = =! “a b =a !=a * b b=a ; ! 9=a * + +;a + = 9! +a + =a +=a * b “ #=a + ! * ;=a * ! “9a + ! ! *a # =a 9=a # = # 9=a ! + =a # * 9+a ; = =# ba ! =a ;=a # = “ =a # * ; ;=a # + !a b ; +# 9a 9 =a “=a # 9=a * 9 + =a # ; “!a # + # !a * =a b=a # ! +=a * “ !=a # b b#a “ * # *a = ( #“! ( 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ (6: =a “ # =a ! ; 9#a # 9 ;# =a = a =a # b =a + + !=a ! # *a b “ =* a * a *=a # * = ;=a # # +=a ! ! 9*a 9 ! #* 9a + a #=a # * * *=a + “=a ! + “*a # 9 #* +a = a !=a # * # !=a = #=a ! 9 #*a “* #a ; a +=a # ; ! +=a = “ b !=a ! ; “a b = 9* *a ! a 9=a # * + !=a = ; b !=a ! 9a ; * * a # a ;=a # * 9 =a = ; =a ! b #a + 9 #* =a # a “=a # * 9 #=a = 9 # “=a + = =a ! * # ba ! a b=a # * ; !=a = + ; “=a + = 9a # = = “a + *a =a # * ; b=a = + * !=a + *a b ;a ; *a =a # * # !=a = ! ; ;=a + 9a = b + 9a b *a *=a # * # ;=a = ! # ;=a + * a = = 9a # *a #=a # * b =a = ! = =a + * u=a b # ! +a ; *a !=a # * b !=a = # ; =a u * b=a “ 9 + +a = *a +=a # * 9 ;=a = # ! *=a + # *=a “ = ! !a + *a 9=a # # = =a = # ;=a + # +=a ; ! b !a = *a ;=a # # = *=a = * b +=a + # “=a 9 b b #a + *a “=a # # = !=a = * ; +=a + ! =a 9 + ! #a *a b=a # # = 9=a = * + ;=a + ! #=a 9 # *a ; #a =a # # = ;=a = * ! =a + ! 9=a + “ 9 *a # #a =a # # = b=a = * * +=a + ! “=a + ! * a b #a *=a # # =a = * *=a + + =a + a 9 #a #=a # # *=a = b b=a + + =a ! “ * a * #a !=a # # #=a = “ “=a + + #=a ! + 9 =a b #a +=a # # !=a = ; “=a + + +=a ! # =a 9 #a 9=a # # +=a = 9 “=a + + 9=a ! = b =a # #a ;=a # # 9=a = + b=a + + “=a # “ “ =a #a “=a # # ;=a = + =a + + b=a # 9 bba “ #a b=a # # “=a = ! !=a + 9 =a # + ba 9 !a =a # # “=a = # ;=a + 9 *=a # # !ba ! “ !“! “ 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ (6: !a !=a # # * =a = #=a + 9 9=a * ; “a + !a +=a # # * =a = = “=a + 9 ;=a * 9 ;“a ! !a 9=a # # * *=a = = !=a + 9 ;=a * + +“a !a ;=a # # * *=a = = b b=a + 9 “=a * ! +“a = !a “=a # # * #=a = = b +=a + 9 b=a * # +;a “ !a b=a # # * #=a = = b *=a + ; =a * * 9;a ; +a =a # # * !=a = = “ “=a + ; =a * ;a + +a =a # # * !=a = = “ +=a + ; =a * = b;a ! +a *=a # # * !=a = = “ =a + ; *=a * = ;a # +a #=a # # * +=a = = ; “=a + ; *=a b !;a +a !=a # # * +=a = = ; 9=a + ; #=a “ ;a = +a +=a # # * +=a = = ; #=a + ; #=a “ =9a b +a 9=a # # * 9=a = = ; =a + ; !=a ; !9a ; +a ;=a # # * 9=a = = 9 “=a + ; !=a 9 “9a 9 +a “=a # # * 9=a = = 9 9=a + ; +=a 9 #9a + +a b=a # # * 9=a = = 9 #=a + ; +=a + ;9a ! 9a =a # # * ;=a = = 9 =a + ; 9=a + *9a # 9a =a # # * ;=a = = + b=“+ ; 9=a ! ;9a * 9a *=a # # * ;=a = = + ;=a + ; ;=a ! #9a 9a #=a # # * ;=a = = + +=a + ; ;=a # “9a = 9a !=a # # * b=a = = + !=a + ; “=a # !+a b 9a +=a # # * “=a = = + *=a + ; “=a # =+a “ 9a 9=a # # * “=a = = + =a + ; “=a * 9+a ; 9a ;=a # # * “=a = = ! b=a + ; b=a * *+a 9 9a “=a # # * “=a = = ! “=a + ; b=a b+a 9 9a b=a # # * “=a = = ! 9=a + ; b=a 9+a + ;a =a # # * “=a = = ! +=a + “ =a *+a ! ;a =a # # * “=a = = ! !=a + “ =a = b+a # # +“! # 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ (6:a *=a # # * b=a = = ! #=a + “ =a 9+a # ;a #=a # # * b=a = = ! *=a + “ =a = #+a * ;a !=a # # * b=a 9 = ! =a + “ =a = +a ;a +=a # # * b=a = = # b=a + “ =a = b “+a ;a 9=a # # * b=a = = # “=a + b =a = b 9+a = ;a ;=a # # * b=a = = # ;=a + “ =a = b #+a = ;a “=a # # * b=a = = # 9=a + “ *=a = b !a “ ;a b=a # # * b=a = = # +=a + “ *=a = “ “!a “ “a =a # # # =a = = # +=a + “ *=a = “ 9!a ; $ 相似! 当计及梢部损失时! 局部风能利用系数! 可有下式确定 i # 至“!(+ b# 来计算风轮的气动性能$下面给出具体计算步 骤$阻力对外形计算影响较小% 但对性能计算影响较大% 故下述公式中的“ 回到第!*“ 步重新迭代% 当以上迭代收敛$ 则各剖面的干涉因子6“ +处“转速! )5 j k“ 风速!5w“ 2 = ! =“ *= ! =* 9a “ #b = ! =“ != ! = #2额定运行工况 ! “ 风向“ 阵风效应# ! “ 起动(停机$ 突然停机$ ) b“! ) 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ ! b“ 停机遇极大阵风# 通过计算$ 确定最危险的疲劳载荷和静载荷作为风力机设计的依据# 风力机在停机工况下$ 作用在风力机上的载荷就像作用在建筑物上的载荷一样$ 比 较容易计算#通常称为风载荷问题#风力机在运行工况下$ 作用在风力机上的载荷就比 较复杂#有惯性载荷% 气动载荷% 重力载荷等#它们都随时间而变化$ 特别是气动载荷受 阵风和风向变化的影响是随机的$ 因此要准确计算较为困难#本节仅就风力机在正常运 行工况下和正常停机工况下的载荷问题作些简要的讨论# 一、 风轮叶片受力分析 风轮叶片的受力情况比较复杂$ 为研究问题方便$ 可以简化为三种力“ ! 其中) 为积分变量“ g . 6 3- e )!)( )“0 6i ) ! !(9 “ ! !“ 空气动力扭矩 gr 63( - e ) . 6 ! 0(04“i ) 8- e )0 6!. (. 4“#$i ) ! !(9 b“ !gr 6向量指向负d d轴方向为正% 即使角减小为正 +“ ! *“ 离心拉力 3- e )#=. *l =)i ) ! !(; 9“ ! #“ 离心剪力 b. 3- e )#=. *l =-ni ) ! !(; ;“ ! !“ 离心力弯矩 g 0 3- e )!)( )“ # =. *l =-n!)“i ) - e )#-n!)“(-n!)“ $ # =. *l =)i ) 或 g 0 3. * ( ) - e )#=l=-n!)“i )8-n!)“- e )#=l=)#$i ) ! !(; “ g. 3- e )#,n!)“(,n!)“ $ # =. *l =)i ) ! !(; b“ ! +“ 离心力扭矩 ( b! ( 第三编#新型风力机的设计与开发技术 $ gr e 3 ez 8 e g.3g . 6 8g. ! !(“ #“ ! !“ 扭矩 g03g0 68g0 z8g 0 ! !(“ !“ 三、 阵风引起的弯曲力 由于风速的增加和风向的变化 阵风在叶片中产生弯曲应力增加(在阵风期间 风 速在一秒钟内可以改变 +“ 式中% b$及b8引起的剪应力可按组合梁方法计算 $ 不能直接求得解答! 可 采用变截面弯曲振动一节中介绍的方法! 下面仅给出瑞利法求解第一扭转频率公式“ 扭转时有最大动能和位能为 h5 6 03 *3 * - =#=c 5 6 0%=a !$ 表明该叶片气动外形设计是可行的#由图还可以看出