（工程力学专业论文）立轴风力机空气动力学与结构分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着越来越严重的环境污染问题的出现和化石燃料有限储量减少的双重危机 的日益加深，人类对可再生能源的开发和利用变得无比迫切。现有风能利用技术 的快速发展己使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大 部分将风能通过风力机装置转化为机械能，然后通过电机转化为电能，通常风力 机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机( h o r i z o n t a la x i sw i n dn i i b i n e 简称为h a w t ) 和立轴风力机( v e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n e 简称为v a 、t ) 两大 类，今天的v a w t s 以d a r r i e u s 形式得到闻名。 考虑v a w t 旋转对雷诺数的影响，局部紊流情况下叶片的动态失速效应，引 入风剪效应对气动效率的影响，结合基于动量原理的双多流管气动模型，建立起 获取v a w t 风轮的风能利用系数、功率和气动载荷的理论方法。 对于v a w t s ，获取准确的c a m p b c l l 图对于结构设计起主导作用。结合有限元 程序a b a q u s6 5 1 ，考虑叶片梁单元陀螺效应( 科氏力) 和气动弹性效应，采用 大型特征值求解方法获取v a w t 的特征频率和振型。对于拉索系统，其对于风轮 顶端的约束刚度和自身的振动特性受拉索的截面积、质量、垂度、预紧张力等因 素的综合影响，拉索截面尺寸和预紧张力的确定不能从其中的某个单一因素确定 拉索参数，它是一个循环确定过程。本文初步确定出拉索的截面尺寸和预紧张力， 然后对风轮顶端的偏移量和拉索自身的动态特性进行分析，在满足结构设计之前 对拉索的截面尺寸、预紧张力和垂度进行不断调整，使拉索满足各个影响因素综 合要求。本文将提出一种结合有限元分析方法来确定拉索截面积和预紧张力。 根据1 m wv a w t 结构初步设计，选取初步的几何参数，考虑风剪效应，采用 本文中的气动理论对1 m w v a w t 进行了气动评价，确定1 m w v a w t 合适的密实 度、尖速比，进而选定合理的额定风速和额定转速，并确定风轮外载随旋转方位 角的变化规律。通过气动分析得到的气动载荷，结合拉索结构分析方法确定i m w v a w t 拉索的截面积和预紧张力，然后简化拉索对风轮顶端的约束，对风轮进行 结构动力学分析，获取风轮随转速的动态特征频率的变化，获取风轮的c a m p b e l l 图，为进一步的v a w t 设计服务。 关键词：立轴风力机，气动分析，结构分析，拉索，c a m p b e l l 图 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t hm o r ea n dm o r es e r i o u se n v i r o n m e n tp o l l u t i n gp r o b l e m sa l lo v e rt h e w o r l da n dr e d u c eo ff o s s i lf u e l sw h i c ha r el i r n i t e dc o n s e r v a t i o nu n d e rt h eg r o u n d , p e o p l ea r et h i s tf o re x p l o i t a t i o na n du s eo f r e n e w a b l ea n ds u s t a i n a b l ee n e r g y n er a p i d p r o g r e s so nt e c h n o l o g yf o rw i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mh a sm a d ew i n de n e r g yt ob e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e n e w a b l ea n ds u s t a i n a b l ee n e r g y c u r r e n tw i n de n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e mt r a n s l a t et h ew i n de n e r g yt om e c h a n i c a le n e r g yb yw i n dt u b i n e , a n d t h e nc o n v e r tt oe l e c t r i c i t yb yg e n e r a t o r f o rw i n dt u r b i n e , a c c o r d i n gt ot h ed i r e c t i o no f t h er e v o l v i n gs h a f ti ns p a c e ，嘶n dt u r b i n ei sd i v i d e dt ot w ot y p e s ，o n ei sh o r i z o n t a la x i s w i n dt u r b i n e ( h a 飘丌f o rs h o r t ) a n dt h eo t h e ri sv e r t i c a la x i sw i n d 呦i n c ( v a w t f o rs h o r t ) a n dt h ev a 、v r si sf a m o u sf o rd a r r i e n st y p e t h ev a r i e t yo fr e y n o l d sn u m b e rd u et ot h er e v o l v i n go fr o t o r ，t h ed y n a m i cs t a l l e f f e c t so fb l a d e ss i n c el o c a lc o n f u s e df l o wa r o u n dt h e m ，a n dt h ea e r o d y n a m i c e f f i c i e n c yc h a n g eb yw i n ds h e a ra r et a k e ni n t oa c c o u n t , c o m b i n e dw i t hd o u b l em u l t i p l e s t r e a m t u b ea e r o d y n a m i cm o d e lb a s e do nm o m e n t u mp r i n c i p l e ，t h et h e o r ym e t h o df o r t h ec a l c u l a t i o no fw i n de n e r g ye f f i c i e n c ya n dp o w e ro fr o t o ra n da e r o d y n a m i cl o a do n b l a d e sa r eb u l i t f o rv a w t s ，i ti sl e a d i n gt os t r u c t u r ed e s i g no f w i n dt u r b i n et h a ts u i t a b l ec a m p b e l l d i a g r a mi s a c h i e v e d b a s e do nf i n i t ee l e m e n tc o d ea b a q u s6 5 1 ，g y r o s c o p i c e f f e c t s ( c o r i o l i s ) a n da e r o d y n a m i c ( f l u t t e r ) e f f e c t so fb e a me l e m e n t sw h i c hb l a d e sa r e m o d e l 嬲a r et a k e ni n t oa c c o u n t , t h ei n h e r e n tf r c q u e n c ea n dm o d es h a p eo fv a w ta r e t a k e nb yt h em e t h o do fl a r g e s c a l ee i e g n v a l u es o l v i n g a n df o rt h ec a b l es y s t e m , t h e s u p p o r t e ds t i f f n e s sf o rt h et o po f r o t o ra n dd y n a m i cp r o p e r t i e si t s e l f a n dd e t e r m i n a t eo n t h ei n t e g r a t e di n f l u e n c eo fs e c t i o n , m a t e r i a l ，e l e v a t ea n g l ea n dp r e s t r e s sf o r c eo fg u y w i r e so fc a b l es y s t e m s ot h ed e t e r m i n a t i o no fs e c t i o na n dp r e s t r e s sf o r c ec a r ln o tj u d g e b yo n l yo n ef a c t o ra b o v e ，i ti sac i r c l e h e r e , t h ee a r l i e rs e c t i o na n dp r e s t r e s sf o r c eo f g u yw i r e sa n dg i v e n , t h e na d j u s tt h e mt om a k et h ed i s p l a c e m e n to f r o t o ro nt h et o pa n d d y n a m i cp r o p e r t i e so f g u yw i r e ss a t i s t yt h es t r u c t u r ed e s i g nt a r g e t s ，a n dam e t h o db a s e d o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt od e t e r m i n a t et h es e c t i o na n dp r e s t r e s sf o r c eo f g u y w i r e s s u b j e c tt ot h ed e s i g no fl m wv a w t , t h em a i ng e o m e t r yp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d t a k e nt h ew i n ds h e a re f f e c t si n t oa c c o u n t , t h ea e r o d y n a m i ce v a l u a t i o ni sd o n eb a s e do n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h em e t h o do f c h a p t e r2 ，a n das u i t a b l es o l i d i t ya n dt i ps p e e dr a t i oa r et a k e n , t h e nr a t i n g w i n ds p e e da n dr o t a t es p e e da r eg e t a n dt h ea e r o d y n a m i cl o a da r eo b t a i n e da l s o ，i ti s u s e df o rs t r u c t u r ea n a l y s i sl a t e r b a s e do nt h ek n o w l e d g eo f c h a p t e r3 ，t h es e c t i o na n d p r e s t r e s sf o r c eo fg u yw i r e sa r ee a s i l yt og e t ，t h e nt h er e s t r i c t i o nt or o t o ro nt h et o po f r o t o rb yg u yw i r e si sd e t e r m i n a t e d a n db a s e do ns t r u c t u r ed y n a m i ca n a l y s i sf o rt h e r o t o r , t h ec h a n g eo f d y n a m i ci n h e r e n tf i e q u e n e ed u et ot h ed i f f e r e n c eo f r e v o l v i n gs p e e d , t h ec a m p b e l ld i a g r a mo f r o t o ri sg a i n ，a n di ti sf o raf u t h e rd e s i g no f w i n dt u r b i n e k e yw o r d s ：v a w ta e r o d y r t m i ca n a l y s i s s t u r c t u r ea n a l y s i sc a b l e c a m p b e l l d i a g r a m 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“ ，”) 学位论文作者签名： 签字日期：，年月日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 引言【1 3 】 人类对于风能的利用有3 0 0 0 多年的历史了，驱动人类开发风能的动力在于风 能具有如下优点：( 1 ) 取之不尽，用之不竭，( 2 ) 就地可取，不需运输，( 3 ) 分 布广泛，分散使用，( 4 ) 不污染环境，不破坏生态，( 5 ) 周而复始，可以再生。 早期的风能利用形式是风能转化为机械能如用风车提水或碾谷，直到上世纪 初，现代工业的发展开始后，风能能够以电能为转换形式或以此为纽带，实现与 其它能源形式的转换。自从蒸气机出现以后，随着矿物燃料如煤、石油、天然气 的大规模的开采和廉价电力的获得，风力机的使用大大的减少。 到了上世纪7 0 年代初，由于第一次石油价格的大幅上涨，风能看作是一种补 充能源和本土能源受到人们的重视，这期间，对风能的关注焦点集中在如何将风 能转换为电能，再通过并网技术，可以将风能转化为一种稳定可靠的能源形式。 其实风力发电设备早在上世纪初就已经出现，然而它的稳定发展却始于7 0 年 代出现的石油危机。随着越来越严重的环境污染问题的出现和化石然料有限储量 减少的双重危机的日益加深，人类对可再生能源的开发和利用变得无比迫切，现 有风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。在上世 纪末的最后十年间，世界范围的风电装机容量每三年大概要翻一倍，风电的成本 降低到8 0 年代早期的1 6 左右。近年来风电装机容量增长趋势越来越明显，而且 风电成本正逐渐下降。 风力发电技术本身也快速得到发展。截至1 9 8 9 年，风轮直径3 0 米功率3 0 0 k w 的风力机才刚刚起步，仅仅十年过去，风轮直径7 0 米功率1 5 0 0 k w 的风力机的生 产能力已能被许多生产厂家掌握。 1 2 立轴风力机的种类及商业化立轴风力机发展历史j 从能量转换的角度看，风力发电机由两大部分组成，其一是风力机，它的功 能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。现 有的风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机( h o r i z o n t a la x i sw i n d t u r b i n e 简称为h a 、t ) 和立轴风力机( v e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n e 简称为v a 、t ) 两大类，如果按风力机叶片吸收风能方式划分，又可以分为阻力型风力机和升力 型风力机。 世界上第一台风力机是1 8 8 8 年美国的c h a r l e sf b r u s h 建立的，叶片采取平板 设计，它属于阻力型风力机，故效率较低。1 8 9 1 年，丹麦的p a u ll a c o u r 教授首先 重庆大学硕士学位论文i 绪论 将气体动力学引入风力机的研究，并且是世界上第一个利用风洞实验研究风力机 的科学家，为设计和建造性能良好的风力机开辟了新途径，这也是现代风力机即 升力型风力机发展的开始。 阻力型v a w r 的代表就是s a v o n i u s 型。现代v a w r 的发明人是法国工程师 g e o r g e sj m d a r r i e u s ，他分别于1 9 2 5 年在法国和1 9 3 7 年在美国获得v a w t 的发 明专利，但当时他的发明几乎没有得到人们的注意，以至于1 9 6 0 s 两名加拿大籍研 究者在并不知情g e o r g e sj m d a r r i e u s 发明专利的情况下再一次地重复了g e o r g e s j m d a r r i e u s 的工作，尽管如此，今天的v a w t 依然以d a t r i e u s 形式得到闻名， 并且由于受到g e o r g e sj m d a r r i e u s 的启发，v a w t 的新形式也层出不穷( 见图 1 1 ) 。 图1 1 立轴风力机的新形式 f i g u r e l 1n e wt y p e so f v e r t i c a la x i sw m dl h r b i n e 我们相信，立轴风力机的商业化到目前为止做得最好的国家是美国和加拿大。 以美国为例，由于1 9 7 3 年阿拉伯国家的石油禁运问题，美国开始寻求一种本土的 资源作为能源补充，在美国联邦政府的支持下，有着悠久历史的风能引起人们的 广泛兴趣。受美国原子能机构( a t o m i ce n e r g yc o m m i s s i o n ) 和能源部( d o e ) 委 托，美国国家重点实验室s a n d i a 开始着手商业化风力机的研制工作，就在这个期 间，加拿大人分享了他们再发明d a r r i e u s 形式v a w t 的研究成果，这样早期的风 力机兴趣就集中在v a w t 的研制上。 在s a n d i a 成功地在屋顶上安装了一台直径为5 米的实验样机两年后，s a n d i a 开发了第二台安装在地面上更大的样机，直径为1 7 米。与此同时，一项经济研究 发现，如果v a w t 的设计在某些方面加以改进的话，能比h a w t 具有更好的性价 比。1 9 7 6 年的研究工作使v a w t 的改进目标得以明确，如提高叶片翼形的气动效 率，整个叶片外形的细长化和叶片数目的优化等等，当时的s a n d i a 的第二台样机 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在性能上比h a 、t 更有优势。 早期的v a w t 的叶片采用铝合金，玻璃纤维和人造泡沫材料，这几种材料需 要很小心地配合在一起，这些使叶片的造价很昂贵。a l c o a 公司致力于降低叶片的 造价，它于1 9 7 0 s 中期发展了一种铝合金的拉模技术，这极大地降低了v a w t 叶 片的加工成本，并沿用至今。1 9 7 9 年，a l c o a 公司赢得了美国d o e 一项制造4 台 低造价v a w t s 的合同，每台v a w t 风轮直径1 7 米，额定功率为1 0 0 k w ，到1 9 8 1 年结项。然而，由于美国d o e 这方面财政预算的缩减，只有三台v a w t s 被安装， 分别选点在b u s h l a n d ，m a r t h a sv i n e y a r d 和r o c k yf i a t s ，分别验证其农业应用，结 构、性能测试和并网应用。由于b u s h l a n d 处样机超过1 0 0 0 0 小时的成功运行，使 v a w t 商业化的过程更加顺利，随后脱颖而出的美国著名v a w t 生产厂家f l o 耐n d 和v a w t p o w e r 截至1 9 8 0 s 底在美国加利福尼亚州安装了至少5 0 0 台v a w t s 。 1 3 蝴，t 的优越性1 6 1 从能量转换的角度看，风力发电机由两大部分组成，其一是风力机，它的功 能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。现 有的风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机( 简称为v a w t ) 和 垂直轴风力机( 简称为h a w t ) 两大类。 我们相信，我们使用风力机目的应该是在风场运行中获得最大的风能收益。 既然风能价格不在风场经营者的控制之中，因此，设计者之目的在于使风场风能 产出最大化以及使风能输运成本最小化。那么，这些考虑因素如何影响风机设计 者呢? 要回答这个问题，首先必须知道，风机是如何被使用的。 在风场中，怎样设置风机的位置呢? 根据风向玫瑰图( 即风向频率) 和地形 学，优化风机直径的间距。一旦确定间距，则可排除风机直径的影响。 【证明】采用水平轴风机( h a 、t ) 时，风场总扫风面积为： 旦三一n d 2 w e n ( 1 1 ) c dd d44 c , d 、7 其中，w 为风场宽度，l 为风场长度，d 为风机直径，c 为横风间距，d 为顺风间 距。 例子：假定在2 平方千米( w = 1 0 0 0 m l = 2 0 0 0 m ) 的风场中，存在强定向 风。令c = 2 和d = 8 即意指沿横风向设置2 个风机直径而顺风向设置8 个风机直 径。那么，我们会有2 0 0 个( 2 0 1 0 ) 2 5 米直径风机或5 0 个( 1 0 5 ) 5 0 米直径风 机，但两种风场排列都有9 8 ，1 7 5 m 2 的风机扫风面积。 水平轴风机设计人员提高风场性能唯一可作的事情是： 优化轮毂高度以利用剪切风和地形； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 通过调整峰值输出( 这样也优化功率曲线) 来改变容量因子； 试图减小安装的风机( 和风场) 成本。 绝大多数的h a w t 设计人员一直采取的路线是增加风机直径。增加风机直径 的努力和保持单机发电容量不变在很大程度上是自我戕害，因为增加风机直径意 味着在风场中设置更少的风机，这是对风资源的浪费。即使这种策略减少了输能 成本，但不能同时使风场产能最大化。 如果我们假定发电机容量是依直径增加的平方而增加，那么，能量输出在很 大程度上依然不变，而问题是能够提高风场性能吗? 肯定还是否定? 正面：较少的道路、分站和控制器，较大的轮毂高度，视觉更美的风场。 负面：除了降低上面提到的电气系统成本外，将会提高所有其它的成本。 必须明白，h a w t 在很大程度上是一种受压结构，因此，遵循平方一立方定 律。这就是说，当h a w t 直径增加一倍，扫风面积以平方规律增加，而结构载荷 以立方规律增加。风机成本主要直接决定于结构载荷。尽管一直存在着降低风机 成本的技术创新，但真正的h a w t 输出电能成本尚未实质上降下来。一般认为， 如果这些风机成本的增加一直应用在较小直径的h a w t ，则h a w t 的电能成本或 许可在3 0 0 k w 和5 0 0 k w 之间优化。 立轴风机( 、璐w t ) 设计人员的选择是什么呢? 联系容量因子和直径，v a w t 的设计可调整高径比。风场风机的间距不受风机高度的影响，所以，这些可变因 素可增加风机自身的属性和提高扫风面积。 比较两种类型的风机。令h 为高径比，v a w t 的扫风面积约为高径比的2 3 或( 2 3 ) h d 2 ，进而风场扫风面积比可以蜕化为同样直径的v a w t 和h a w t 的扫风 面积比( 因为风机数一致) 。因此，扫风面积比成为： ( 2 忑3 ) h d 2 ：一8 h ( 1 2 ) n d o ，4 3 n 、。 r a t i o o f s w e p t a 8 h 3 尢 h 图1 2 高径比与v a w t 和h a w t 扫风面积比之间关系图 f i g u r e l 2 r a t i o o f h e i g h ta n d d i a m e t e r v s s w e p t r t e a s f o r v a w t a n d h a w t 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 当高径比为1 1 7 8 时，两种风机的扫风面积相等。f l o w i n d 公司制造了两个扩 展高径比的v a w t ( e h d s ) ，当h = 2 8 4 时，扫风面积大约为同样直径的h a w t 的2 4 1 。直到目前，我们的经验一直是v a w t 的叶片效率处于h a w t 叶片的8 0 一9 0 之间。所以，风场电能输出可扩大1 9 3 甚至2 1 7 或者说大约1 倍。这是 采用v a w t 的一个主要优点一用e h d 代替h a w t 可使风场能量输出翻1 番。 成本问题呢? 除了例外的情况，即使调低叶片效率，v a w t 风机构成成本包 括安装、保养、运行较同样扫风面积的h a w t 为低。由于主要构件在地面和唯一 受压构件主杆由线缆固定，v a w t 成本更低。不像h a w t ，立轴风机在原理上是 受拉结构，不受平方一立方规律的限制。 f l o w i n d 对v a w t 的研究工作已经产生了质量扫风面积比控制在每平方米扫 风面积为3 0 3 5 k g 的风机，这显著地证明了两种技术间的主要差别。成本较高的 v a w t 构件是v a w t 的叶片部分。v a w t 叶片宽度和断面密度较小，材料消耗一 般是每沿米h a w t 叶片的1 3 。当扫风面积相同，v a w t 的叶片长度更大，由下 面公式： 叶片长度比：塑：! 型一1 4 8 5 h ( 1 3 ) 3 ( d x 2 2 1 调整减小叶片宽度和材料密度，叶片材料的有效比大致在高径比的1 2 和3 4 之间。 当h = 2 8 4 ，v a w t 的叶片将使用多于4 0 - 6 0 的材料，但这不意味着v a w t 的叶片 成本会比h a w t 叶片成本高。v a w t 的叶片断面均匀，一旦成型则完全受拉。最 理想由玻璃纤维制造，可经由拉模( p u l t r u s i o n ) 技术自动制造出来。 在制造过程中，玻璃纤维和树脂通过一个加热模具拉拔形成一个连续的单件 叶片。在f 1 0 w m d 公司，拉出了几件超过3 0 0 英尺的叶片，只受到加工设备尺寸 的限制。这个过程可减少多达7 0 的劳动成本和减少8 0 多的制造时间，制造速 度已经超过每分钟l o 英尺。这个结果类似于使用拉模过程的其它应用。进一步抵 消的潜在叶片成本还在于省略了在h a w t 上共同的偏航和变倾斜机制。根据研究， 对相近电机尺寸和功率曲线，我们估计，v a w t 整机成本是h a w t 的7 0 8 0 。总 之，增大v a w t 的高径比能够以较低的安装和运行成本达到风场电能输出倍增的 结果。 还有几个其它方面表明v a w t 优于现在的h a w t 技术： 1 ) 噪音：v a w t 的e h d 所记录的噪音水平低于附近h a w t 的7 5 ，以h a w t 将近一半的转速运行似乎是主要原因。 2 1 鸟类：对于v a w t 没有鸟类因与h a w t 叶片相撞而毙命。f l o w m d 公司确 有因不当的接地线以及与分站超级结构物冲撞而使鸟毙命，但没有发生旋转叶片 导致碰撞死亡的情况。立轴风机运转的峰值风速为l l l m p h ，比较而言，典型的 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 h a w t 为2 0 0 m p h 。较低的尖速和视觉上更加温和的运行模式相结合实际上排除了 对鸟类的戕害。 3 ) 工人安全性：由于大多数构件置于地面上，工人可安全接近设备而无需爬 到塔架上去操作。同时，规定h a 、t 的维修人员限制一天两次到三次攀爬塔架， 而v a w t 的维修人员在一天之内可检查和维护一打风机。 4 ) 维护成本：因为更方便接近发电机、齿轮箱、刹车系统和控制器，所以， v a w t 的维护成本实质上更低。 5 ) 审美：这是个人观念问题，但许多建筑师来到f l o w i n d 公司建议将v a w t 结合到建筑设计中，他们的主要原因总是美学上的考虑。 6 ) 容易安装；大型h a w t 需要大型起重机来安装。简单起重设备对v a w t 就已足够。当机器更大时，在遥远的地区，安装将是个决定因素。 1 4 州t 研究现状 通常的风力机系统包括风轮、上下轴承、拉索系统、刹车系统、传动系统、 发电系统和控制系统和基础。怎样使这些系统能有效地配合和高效地运行，我们 需要多学科知识的综合利用，包括空气动力学、结构力学、机械设计、电机、自 动化控制和经济学等。截止目前为止，v a w t 的研究着眼点在于降低成本和提高 可靠性，主要研究领域为以下四个方面： 空气动力学。相对h a w t ，v a w t 有两个先天的优点包括其一它可接受任 意方向的来风从而不需要偏航系统，其次v a w t 的传动链、电机在地上，所以 v a w t 可以获取更轻便的结构，这将极大地降低风机的制造成本。但在某种程度 上说，结构的简单却增加气动设计和分析的难度，由于v a w t 的风轮旋转一周， 叶片在空气中的攻角随着旋转方位角和风速的改变变化得很快，并且变化范围很 大( 0 0 1 8 0 0 ) ，所以v a w t 气动问题具有非稳态( 紊流) 的气动问题，它具有高 度的非线性，面对如此复杂的空气动力学问题【1 们，工程师们很难找到一种方法获 取最优化的叶片翼型，这样翼型不仅能提高叶片的升力，还要求在高风情况下能 产生合适的失速效应升力的相反面，这是空气动力学分析的目标。 到目前为止，应用于v a w t 上的翼型主要有n a c a 系列翼型( 美国n a s a ) 、 s n l a 系列翼型( 美国s a n d i a 国家实验室) 和s 系列翼型( d a ns o m c r s ) 。对于 n a c a 系列翼型如n a c a 0 0 1 8 ，n a c a 0 0 1 5 和n a c a 0 0 1 2 ，文献【7 】中提到由于 n a c a 系列翼型对于翼型表面灰尘和残留物的敏感性，和随着v a w t 的发展，由 第二节的知识我们可以得到提高v a w t 的高径比成为必然的发展方向，但对于增 大高径比的v a w t ，n a c a 系列翼型随不同攻角的升力系数选和其叶片结构的要 求与选取合适的叶片密实度之间将产生矛盾，n a c a 系列翼型的这些缺陷将限制 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 其在将来v a w t 系统上的使用。s n l a 系列翼型和s 系列翼型，以$ 8 2 4 翼型为例， 其设计基于对于高风情况下的失速效应的考虑，能较好地控制风轮的功率的增长， 这对于有效地提高v a w t 的风能利用率和减轻结构和电机的负荷起着相当大的推 进作用，然而我们对于寻求最优的气动翼型还有很多的工作要做。 结构力学。结构力学分析是v a w t 能否成功运行的基础，好的结构设计能 在保证结构可靠性的前提下有效地降低风机的成本问题。经过结构力学研究，我 们能够预测v a w t 系统在重力、离心力和气动载荷下的强度和刚度问题，包括 v a w t 在高风情况下的生存问题，主轴的压杆稳定性问题和横撑、叶片( 直叶片) 安装的回弹分析等等。v a w t 属于旋转结构，在风激励下和自激励条件下的共振 问题将严重影响其结构的稳定性和可靠性，目前工程上普遍采用有限元法和实验 手段相结合的手段获取其动态的特征频率和振型渺1 2 】，绘制准确的c a m p b e l l 图， 以期尽量避免风力机运行的共振点。以加拿大的e c o l e 为例【l ”，由于其在结构分析 方面的不足，在运行过程中无法有效地避免风机的共振问题，使其只有8 年左右 的运行寿命远低于2 0 年的设计寿命，这对于e c o l e 投资者将是一个噩梦。 疲劳和可靠性。由于风载荷的不稳定性，v a w t 所受到的气动载荷会影响 其疲劳寿命，我们的目标是使风力机具有很好的疲劳寿命和可靠性。比如湍流影 响下，v a w t 所受到的气动载荷会增加，从而提高v a w t 中的应力水平。叶片作 为风机中重要的部件，其疲劳和寿命直接影响风机的成本和可靠性，受船舶外壳 材料选用的启发，现有的风机叶片材料普遍采用碳纤维和玻璃钢取代以前的木质 和铝合金叶片，以提高v a w t 的疲劳和寿命【1 4 j 。 系统工程。系统工程的研究为降低整个风机系统运行的成本，这需要平衡 风能获取成本和材料使用成本的关系和系统动力学问题即建立风轮系统和电机系 统的平衡获取合理的风力机运行曲线，比如，风轮系统在变速运行的情况下，v a w t 可以更平稳的启动、停车和减少叶片上灰尘影响，而变速运行比恒速运行的成本 要高。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 目前存在的主要问题 结合v a w t 研制过程中设计阶段所遇到的问题，本文对v a w t 的研究，集中 在对v a w t 空气动力学设计和结构方面上，在借鉴别人经验的同时，我们也获得 了一些研究结果，但是离理想的结果还有一定的差距，存在的问题主要有以下几 点： 动态失速问题。目前v a w t 的气动设计和分析普遍采用基于动量原理的多 流管理论，但由于多流管理论的基础是大气认为是层流，显然这在低风速和高风 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 速的情况下简化不太合理，需要引入大气紊流的影响，对于叶片，叶片表面的气 流由于从层流过渡到紊流，叶片的升力和阻力系数之比会突然减小，由于动态失 速的影响，这个减小过程会减缓，如何合理地数学描述这一现象对于准确获取 v a w t 的功率曲线将取很大的决定因素。 结构分析中的陀螺效应( 科氏力) 和气动弹性效应。由于风轮为旋转机构， 由于旋转产生的陀螺效应将对结构造成一定的阻尼，这会影响结构的振型和变形， 对于v a w t ，这个效应应该考虑。同时由于风轮叶片在空气中的颤振，空气对叶 片的约束，这将影响到叶片的刚度和阻尼阵，进一步对叶片和风轮的动态特性产 生影响。 高风生存对于叶片结构的要求。叶片作为v a w t 系统一个重要的部件，其 成本对于整个系统的成本起很大的作用，如何在降低叶片成本的前提下使其具有 相应的强度和刚度是目前遇到的问题之一，同时由于叶片的弦长大( 对于大型 婚汀) ，叶片合理的结构将使叶片的加工工艺能更有效地实现。 v a w t 系统与各部件的疲劳问题。如何使v a w t 系统具有比较高的可靠 性，有效的途径就是提高系统各部件的疲劳寿命问题，由于大气的不稳定性使风 轮各部件所受气动载荷的部分不确定性使确定各部件疲劳寿命的问题变得比较复 杂，如何选取合理的预测模型将是这一工作的重点。 1 5 2 论文工作的主要研究思路 针对目前我们从事v a w t 研制中遇到的一些问题，本论文希望从v a w t 空气 动力学理论和结构分析理论出发，为v a w t 工程设计提供合理的理论依据，主要 有以下几方面的工作： 考虑高风情况下，v a w t 旋转对雷诺数的影响，并考虑局部紊流情况下叶 片的动态失速效应，结合基于动量原理的双多流管气动模型i l 卅，可以得到v a w t 风轮的风能利用系数、功率和气动载荷。 对于v a w t ，获取准确的c a m p b e l l 图对于结构设计起主导作用。结各有限 元程序a b a q u s6 。5 1 ，采用大型特征值求解方法获取v a w t 的特征频率和振型。 对于拉索系统，其对于风轮顶端的约束刚度和自身的振动特性受拉索的截面刚度、 质量、垂度、预紧张力等因素的综合影响，拉索截面尺寸和预紧张力的确定不能 从其中的某个单一因素确定拉索参数，它需要一个循环确定过程，因此，只能从 其中某个影响因素出发，初步确定出拉索的截面尺寸和预紧张力，然后考虑其它 的限制因素，对拉索的截面尺寸、预紧张力和垂度进行不断调整，使拉索满足各 个影响因素综合要求。本文将提出一种结合有限元分析方法来确定拉索截面积和 预紧张力。 采用本文中的气动理论和结构分析方法对1 m wv a w t 进行气动分析和结 3 重庆大学硕士学位论文i 绪论 构分析。根据1 m wv a w t 结构初步设计，选取初步的几何参数，考虑风剪效应， 采用本文中的气动理论对1 m w v a w t 进行了气动评价，确定1 m w v a w t 合适的 密实度、尖速比，进而选定合理的额定风速和额定转速，并确定风轮外载随旋转 方位角的变化规律。通过气动分析得到的气动载荷，结合拉索结构分析方法确定 1 m w v a w t 拉索的截面积和预紧张力，然后简化拉索对风轮顶端的约束，对风轮 进行结构动力学分析，获取风轮随转速的动态特征频率的变化，获取风轮的 c a m p b e l l 图，为进一步的v a w t 设计服务。 9 重庆大学硕十学位论文 2v a w t 空气动力学分析基本理论 2v a w t 空气动力学基本理论 2 1 引言 v a w t 依靠叶轮将风中的动能装化为机械能，所以叶轮是风力发电机组中最 主要的受力部件，风力发电机组中其它的零部件受到的载荷主要是由叶轮上受到 的载荷造成的。叶轮载荷是指作用在叶轮上的力和力矩，有空气动力、惯性力和 结构力，其中空气动力最复杂。在这一章中我们要讲述的是v a w t 气动分析方面 的工程上的简化方法，为整个风机的设计提供理论基础。 随着空气动力学的发展，越来越多的理论方法已经被采用到计算风轮气动效 应当中【1 6 , 1 7 例如，我们可以尝试用旋涡理论来计算，旋涡理论已经成功的应用到 了推进器，机翼等的设计之中，尽管如此，把旋涡理论应用至l j d a r r i u s 型v a 、t 的 叶轮空气动力学分析中时【l 引，由于其过程非常复杂，计算所花的时间也很漫长， 因此在工程当中这种理论并不是很实用。工程上使用基于动量定理的方法，目前 常用的包括单流管理论，多流管理论和双多流管理论，以单流管为例【1 9 1 ，该方法 能解决风轮气动效应，其前提条件是假设风流经风轮处所有点的风速都是相同的， 这样，风轮中流管中的风速就可以通过作用在风轮上的阻力以及通过风轮中流体 的动量变化来求得，这种方法由于假设条件的严格限制，很多因素的影响都没有 考虑进去，因此当我们需要比较精确的计算结果的时候，这种方法就变得并不是 很适用了，特别是当风轮的尺寸较大，尖速比很高的时候。这时我们一般采用多 流管方法或精度更高的双多流管方法来进行计算，它们不仅计算精度比较高，而 且计算过程也相对比较简单，而且它还可以很简单的把风剪效应引进来。 2 。2 基本概念 2 2 1 风能利用系数 风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数c 。表示。横截面积 为s ( m 2 ) 的气流的动能为： e = 0 5 , o s v 3( 2 1 ) 式中，p 为空气的密度，在标准大气压下为，取为1 2 2 5 5 k g m 3 ，v 为风速。 如果风力机实际获得的轴功率为p ，那么风能利用系数为： c = p e = p ( o 5 p s y )( 2 2 ) 1 0 重庆大学硕士学位论文 2v a w t 空气动力学分析基本理论 2 2 2 叶尖速b 匕 为了表示风力机风轮旋转速度的快慢一般用叶片的叶尖圆周速度与风速之比 来衡量称为叶尖速比z ，对于水平轴风力机，叶尖圆周速度即最大半径处的圆周速 度，对于立轴式风力机而言，叶尖圆周速度就是叶片离主轴半径最大，通常称为 赤道半径，得圆周速度。 a 一2 n r n c a r ( 2 3 ) vv 式中，行为风轮的转速；r 为最大半径或赤道半径；矿为上游风速。 2 2 3 密实度 为了表示叶片在整个风轮中的充实程度，即叶片在整个风轮中占有的百分比， 我们引进了密实度的概念，用s 表示。 s = 警 ( 2 - 4 ) 式中，为风轮叶片的个数，c 为叶片的旋长，r 为最大半径或赤道半径。 2 2 4 工作风速与输出功率 起动风速( 切入风速) 。风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要 一定的力矩。这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。启动力矩主要与风力机本 身的传动机构摩擦阻力有关因此风力机有一最低工作风速矿缸，只有风速大于 y 。时风力机才能工作。 最大风速( 停机风速) 。当风速超过