（机械设计及理论专业论文）大型风力机气动性能分析及变桨距离控制研究.pdf

摘要 论文题目：大型风力机气动性能分析及变桨距控制研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：于峰 指导教师：刘凯教授 马朝锋讲师 摘要 签 签 签 风能作为可再生能源，越来越受到人类的重视。风力发电是利用风能的主要形式，变 速变桨型风力机是目前兆瓦级风力机的主流机型。风轮的气动性能直接决定风力机功率输 出的大小：在高风速阶段，变桨距控制是功率控制的主要方式，它能够使风力机安全稳定 地运行。因此，本文进行了风力机气动性能的分析及变桨距控制的研究。主要内容如下： 首先，基于叶素理论，用优化了的诱导因子方法求出叶片沿叶展方向上各个叶素的弦 长和扭角。应用p r o f i l i 翼型软件获得所选翼型的形状数据和性能参数。通过坐标变换， 获得各个叶素的空间坐标，并用s o l i d w o r k s 进行了三维建模。 其次，将动量定理和叶素理论结合，推导出关于影响叶片气动性能相关参数的表达式。 在考虑风力机结构的基础上建立了叶片关于惯性坐标系的坐标系统，将风力机结构参数对 气动性能的影响引入气动性能的计算，应用m a t l a b 软件进行了数值计算，获得叶尖速比、 安装角等对风能利用系数的影响关系。分析结果表明，在最优叶尖速比处，风能利用系数 最大；安装角大小的变化对功率影响明显。同时，也为后续变桨距控制器的设计提供理论 数据。 再次，基于机理法建立风力机各个子系统的数学模型，进而建立整机数学模型。由于 风力发电系统模型的非线性比较强，因此应用m a t l a b s i m u l i n l ( 工具箱搭建仿真模块，为 变桨距控制提供整机模型。 最后，通过风轮的气动性能分析结果，给出风力机的控制策略。由于风能利用系数与 桨距角大小的关系是非线性的，因此应用模糊p i d 参数整定控制方法设计了模糊控制器， 并应用呦模块实现。将建立的控制器应用在变桨距控制中并进行仿真，仿真结果表明， 该控制器使风力机在高风速条件下实现了恒功率输出，达到了设计要求。 关键词：风力机气动性能；数学模型：变桨距控制；模糊p i d 本课题来源于“陕西省自然科学基金( 2 2 0 7 e 2 2 8 ) 和“陕西省1 3 1 1 5 科技创新工程重 大科技专项项目2 0 0 8 z dk g 2 8 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t _ 、一 t i t l e ：a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n a l y s l so fl a r g ew i n d t u r b i n ea n dr e s e a r c ho f v a r i a b l ep r o p e l l e r p i t c h c o n t r o l m a j o r ：m e c h a n i c a id e s i g na n dt h e o 吖 n a m e ：y uf e n gs i g n a t u 陀：i 盥 s u p e r v i s o r ：p r o f l i uk a is - g n a t u 陀：心 l e c t m ac h a o f e n gs i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i n de n e 啊i sr e n e w 曲l e ，畅c hi sl l i 则ya n e n t i o n 谢n dp 0 w e rg e n e r a t i o ni sm a i nf o 衄 u s i n gm n de n e r 醪a tp r e s e 咄讹dt i 曲i n e 埘t l lv 耐a b l es p e e d 锄do 盯i sm em a j nt y l ) eo f m e g a w 砒a e 刚蛐疵cp e 面瓶a n c eo fw 硼w h c e ld n c t l yd e c i d e s 此。唧u tp o w e ro f 咖dt u 】r b m e i i ll l i g l l 诵n ds p e e ds t a g e ，v a r i a b l ep r o p e l l e rp i t c hc 0 i 炯l i s 也em a i nm o d ef o r p o u ，e rc o r l 廿o l ，w k c hc 锄m a k e 晰n dt u r b i n ew o r ks a f e t ) ，锄d 妣i b l y t h e r e f o r e ，a e r o d y n 锄i c p e 晌册锄c eo f 谢n d 劬i i l ei s 锄a l y z e d 锄dv a r i a b l ep r o p e l l e rp i t c hc o n 仃0 l i sr e s e 卸r c h e di n t 1 1 i sp a p i 既t h em a j nc o n t e n ti s 嬲f o l l o w e 鸺： f i r s t l y c h o r dl e n g t ha n dt o r s i o n a j 觚g l eo ff o l i n e sa 1 0 n gl e a fd i s p l a ya 他s o l v e du s i n g o p t i 觚z e dm d u c e m e n tf ；犯t o rm e t h o d s h a p ed a l a 觚dp e r f - 0 肌锄c ep a r 锄e t e ro f r o t o l l a r e g a i n e du s i n gp r o f i l i f o l i 鹏sc o o r d i 眦ei sg a i n e dt i l l 0 u g h c o o r d i n a t e 眦s f o 衄锄d 鹏e m o d e l si sb u i l tb ys o l i d w o r k s s e c o n d l y n l e e x p r e s s i o 璐 o fr e l a t i v e p a r 锄e t e r砌u e n c i n g v 锄er o d y n 锄i c p e r f o m 锄c ea r ed e d u c e dt l l r o u g l ic o m b i i l i n gm o m e n t 啪t l l e o 陀m 锄d f o l i n et l l e o 巧c 0 0 r d i n a t e s v s t e ma b o u ti 1 1 e n i a l 丘锄eo fv 锄ei sb u i l t b a s e do n 、访n dn 曲i n e 咖j c t u r e n ei n n u e n c eo f 、i n dt u r b i n es 眦t u r ep a 均m e t e ro n 鳓r o d y n 锄i cp e 渤衄a n c ei s i n d u c e dt 0t l l ec a l c u i a t i o n a n dc a l c u l a t i o ni s 1 1 i e v e db ym a t l a bw h i c hg a i nt h ei n n u e n c er e l a t i o no f b l a d et o ps p e e dr a t i o 孤i ds e t t i n g 锄g l eo np o w e rc o e 伍c i e n t t h er e s u l ti n d i c a t e st 1 1 a tp o w e rc o e 币c l e n tl sm o s ti n 缸胁e s tb l a d et o ps p e e dr a t i o v 撕e t ) ro fs e t t i n g 锄甜eh a sg r c a t 砌u e n c eo np 0 、e r w h i c h p r o v i d e 也e o r yd a 协f o l 。v 撕a b l ep r o p e l l e rp i t c t lc o n 缸o l l e rd e s i 鲈 a g a i l l m a _ i l lm o d e lo fs u b s y s t e mo fv v i n dt u r b i n ei sb u i l tb 硒e d0 nr i 9 0 r o 惦m e 也o d 锄d m a t hm o d e lo fw h o l em a c h i n ei sb u i l tt 0 0 b e c 肌s e 埘n dg e n e r a t ee l e c t r i c 埘s y s t e mm o d u l e l s m o 他n o n 1 i n e 撕吼s i m u l “o nm o d u l ei sb u i l tb ym a t l a b s i m u l i i l l ( t o o l b o x ，h i c hc 锄p r 0 v i d e w h o l em o d e lf o rv 撕a b l ep r o p e l l e rp i t c hc o n t i 0 1 f i n a l l y c o n t r o ls 撇e g yi sc 锄e o u tb y 锄a l y s i n g 勰r o d y n 锄i cp e r f o 肌锄c eo fw i n dw h e e l b e c a u 鹳t h er e l a t i o nb e t w e e np o w e rc o e 币c i e n t 锄dp r o p e l l e rp i t c h 锄g i ei sn o n - l i n e 撕吼矗正强拶 c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 鹏i n g 呦p l dp a r a m e t e r t t i n gc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hi sr e a l i z e db y i 西安理工大学硕士学位论文 一- 、_ _ 一 f b z z ym o d u l e t h eb u i l tc o l l t r o l l e ru s i n gi nv a r i a b l ep r o p e l l e rp i t c hc o m r o li s s i m u l a t e d t h e r e s u l t 砌i c a t e s 也a t 吐屺c 0 i l 仃o l l e rr e a l i z e sc 0 n s t a n tp o w e ro u t p u ti 1 1h i g h 州s p e e d ，w t l i c h a c l l i e v e st l l ed e s i 印r e q u e s t k e yw o r d s ：w i l l dt u r b i n e r o d y l 脚l i cp e r f o 珊a i l c e ；m a mm o d e l ；v a r i a b l ep r o p e l l e rp i t c h c o n 臼r o l ；知臣【z y - p i d 1 1 l i sr e a r c hw 觞s u p p o n l 甜b y t h ed e v e l o p m e n to fm w 二c l 弱sw h d1 u b i n ed r i v i 】唱 s y s t e m s ( 2 0 0 8 z dk g 一2 8 ) ”，w h i c hb e l o n g st 0 ”s c i e n t i f i c 觚dt e c l l i l o l o 西c a li i l i l o v a t i o np r o j e c t s i i ls b a a n x ip r o v i i l c e1 3 1 1 5 ” i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 能源是人类社会运转和发展的基础。随着人类社会的进步发展，对能源的需求越来越 大，能源危机始终威胁着人类社会的进步和发展。到目前为止由于化石燃料的大量使用， 人类生存环境遭到严重破坏，因此，这两者之间的关系和矛盾成为人类生存和发展需要迫 切解决的两大难题。随着常规能源的日益衰竭，寻找新能源成为人类生存和发展的必由之 路。经过多年的发展，风力发电已经成为新能源中规模最大、技术最成熟，开发条件和商 业化发展前景最好的应用方式之一，同时风力发电具有清洁无污染、施工周期短、占地面 积少、技术进步快等优点。而且我国探明风能理论储量为3 2 2 6 亿k w ，可开发利用为 2 5 3 亿k w 因此，有效利用风能资源，积极发展风力发电，成为我国实现可持续发展和 保护生态环境基本国策之一眨刁1 。 1 2 风力发电机组国内外发展状况 随着风力发电技术的发展进步，风力发电已经成为最具商业化发展前景的新兴能源产 业，近年来风力发电在全球范围内得到了广泛的应用，据相关专家预测：在近几年内风电 依然会保持高速增长的势头，如图1 1 所示。 截止目前，丹麦的v e s t 弱，德国的西门子，美国的g e ，西班牙的g 锄e s a 等国际著 名风电整机制造企业仍然掌握着风力发电机整机设计和制造个关键技术。丹麦的v e s t a s 风电企业已经开始逐步由风电设备出口向风电技术出口转型；德国已经投入运行的最大的 风电机组的单机功率已经达到了6 m w ；我国的风能资源储量丰富。加之国家对风能发展 的重视，因此风电行业发展前景广阔。2 0 0 9 年底我国装机总量达2 5 0 0 万千瓦，实现了连 续5 年年风电装机量1 0 0 增长。由中国2 0 l o 发展中的清洁能源科技报告可以看出， 我国将大力发展风力发电产业，调整我国能源结构的不合理性，预计未来十年我国还有l 亿千瓦的风力发电装机容量地需求。但由于在风力机基础理论研究、新技术应和实验研究 等方面与风力机技术发达国家( 丹麦、美国、德国) 等相比存在着较大的差距，所以，目 前在国内风场运行的主流大型风力发电机组，多为我国进口或依靠技术引进而制造和开发 的，因此在诸多方面受到极大的制约，造成风电成本比较高，不利于我国风电产业的进一 步发展和壮大。同时，由于国内风场工况与国外的不同，所以，进口型风力发电机组往往 无法达到风力机工作的最佳状态。以上两点与我国丰富的风能资源及国家大力发展风力发 电的方针政策相悖，因此，必须提高我国研究和设计风力机组的能力，以实现低成本风能 的利用。由于风力机气动性能是决定风力发电机组功率输出的重要因素，因此必须研究风 力机风轮的气动性能：在高风速阶段为了确保风力机安全、高效地运行变桨矩控制成为风 力机控制不可缺少一部分。 西安理工大学硕士学位论文 i “k 2 0 0 92 0 1 02 0 1 1 2 0 1 22 0 1 3 图l - l 全球风电装机容量及展望情况统计图 f i g 1 - l i r e n d so fw o r l d 。si n s t a u e dc a p a c i t yo f w i n dp o w e r 1 3 本课题的研究背景 1 3 1 风力发电机组结构 风力发电机组是风力发电的主要设备，风力发电机的种类和形式很多，总体可以分为 两大类：水平轴风力发电机组、垂直轴风力发电机组。由于垂直轴发电机组无法在较高的 叶尖速比下运行，所以无法获得大量的风能，同时与相同功率的水平轴风力机相比消耗材 料多，占地面积大，因此大型商用风力发电机组一般多为水平轴风力发电机组。水平轴风 力发电机组，一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等组成，如 图1 2 所示7 1 。风轮在风的驱动下获得动能而旋转，再经过增速箱的增速将机械能传递给 发电机，从而实现了由风能到机械能再到电能的转化。 2 一 业 地 一 南 也 一 再 奠二洲洲业陶州一肚置尔中亚 兰= 冒一 f h h 1 绪论 开发出了专门用于风力机叶片的专用翼型，例如：美国的s e r l 翼型，瑞典的f f a w 翼 型，这些翼型都具有比较高的c l c d ，使风轮功率输出增加，同时还使叶片抵御外部因素 ( 叶片表面粗糙程度、天气) 影响的能力提高，使功率输出便于控制9 ，例如瑞典的f f a w 翼型就被丹麦的大功率叶片供应商所采用。 对于国内来讲，由于缺少对翼型专门研究和设计，因此应用比较多的是n a c a 6 3 系 列。 随着风力机向兆瓦级方向发展，叶片的长度不断增加，例如：德国设计的6 m w 型风 力机样机，叶片长度达到6 0 m 左右。复合材料开始被采用，而玻璃钢纤维材料由于性价 比高，因此目前还是被广泛实际应用5 1 。 叶片的设计方法：目前的设计方法有威尔逊理论、圆盘理论，葛劳渥特理论等，不同 的方法基于不同的考虑因素，因而有不同的适用对象。圆盘理论适用于小型风力机的叶片 设计，因为其省略的影响因素比较多，所以设计的的叶片精度不够。葛劳渥特理论和威尔 逊理论都考虑到了诸多的影响因素，因而与实际过程比较切合，设计精度高，完全能够满 足大型风力机组叶片的设计要求6 1 。 1 3 3 风力发电机组气动性能分析方法概述 风轮是风力机捕获空气动能的重要部件，控制风力机安全稳定高效地运行，就必须对 风轮的空气动力学进行深入的研究。最初，应用于风轮空气动力学研究的理论和方法多源 于对与风轮相类似部件的研究，例如船用螺旋桨、直升机桨叶等。随着将空气动力学研究 方法引入对风轮叶片的研究，风力机空气动力学的研究和分析方法才得到长足发展。目前， 应用最多的方法有动量理论、叶素理论、带尾流旋转的涡流理论和c f d 数值模拟计算等 方法。 叶素动量理论：叶素理论认为风力机叶片是由有限个叶素沿径向叠加而成，它从叶素 附近的空气流动来分析叶片上的受力和能量交换，因而风轮二维气动特性可以由叶素的气 动特性沿径向积分来求得【墙】；动量理论则更关注风轮轴向上的受力与风速的关系，它更 加注重风轮从风中捕获能量的多少。这两种理论的结合给出了分析叶片气动性能与影响因 素的关系。为了更加准确地计算叶片的空气动力学性能和叶片载荷，威尔逊和葛姥沃特等 针对性地提出了多种修正参数。实践证明将该理论应用于叶片气动性能分析和设计是很理 想的。 带尾流旋转的涡流理论：由于风轮的旋转作用，流经风轮后的空气产生中心涡流旋转、 叶尖涡流旋转和附着在叶片上的涡流旋转，涡流的能量损失占风力机能量损失的很大一部 分。因此，对于风力机空气动力学进行分析时，必须考虑涡流影响。目前考虑涡流计算的 方法有刚性、半刚性尾涡模型及自由尾涡模型等。 c f d 数值模拟计算：随着计算机技术的迅速发展，使数值模拟计算成为可能，流体 动力学计算成为流体力学发展最快的方法之一，加之相关动力学分析软件的推出，使c f d 数值模拟计算在风力机叶片空气动力学分析和设计上得到了愈来愈多的关注。与b e m 理 3 西安理工大学硕士学位论文 论相比该方法有诸多优点：不需要知道构成叶片叶素的二维气动参数( 升力和阻力系数) ， 就能直接计算出风力机风能利用系数：c f d 方法由于模拟了叶片周围流体较为真实的流 动状况因此，不需要相关参数的修正。 1 3 4 风力发电机组数学建模概述 系统模型包含动、静态两大类。对于风力发电机组而言，静态的适用范围相对狭小， 只适合我们对风机在某个特殊状态下的研究；而动态则能够反映风力发电机组随风速、风 向、电网电压、风轮转速、叶片桨矩角等物理量的变化而变化的整个过程。目前对于风机 建模而言方法有：l 设计点处传递函数模型；2 根据现场实验获得运行数据，采用辨识技 术建立的模型；3 应用人工神经网络法，辨识出风力机系统的功能模型；4 机理法模型等。 1 3 5 变桨控制概述 由于风速具有不确定的特性，为了使风力机安全、稳定和高效地运行，转速和变桨控 制必不可少，目前，对于风力机控制的方法有传统的p i d 控制和智能控制两大类。由于 传统的控制方法存在精度不高和存在误差等缺点，所以智能控制成为风力机控制发展的主 要方向。自适应控制、模糊控制、预测性控制先后都被应用在风力机控制当中。本文采用 模糊控制思想对风力机进行变桨控制研究。 1 4 本课题的来源目的及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于“陕西省自然科学基金( 2 2 0 7 e 2 2 8 ) 和“陕西省1 3 1 1 5 科技创新工程重 大科技专项项目2 0 0 8 z dk g 2 8 1 4 2 选题目的 变速变桨型风力机已经成为目前兆瓦级风力机的主流机型，为了使整个风力机安全、 稳定和高效的运行控制系统至关重要。要设计最契合风力机的控制系统，就必须掌握风力 机动态特性，因此，就必须研究风轮捕获能量的过程，以及影响因素。本文从风轮叶片入 手，建立了风力发电机组风轮叶片模型，进行风轮空气动力学计算和分析，建立风力机发 电机组整机数学模型，并在高风速条件下对风力机变桨控制器进行了设计和仿真，为风力 机控制器的设计提供了理论基础。 1 4 3 本课题研究内容 本文基于空气动力学的基本理论，有针对性地进行了某1 5 兆瓦风力机叶片设计和建 模，并进行影响风轮空气动力学性能因素的研究，建立了整机数学模型，设计了变桨控制 器并进行了仿真验证，主要内容如下： l 、基于叶素理论，用优化了的诱导因子方法求出叶片沿叶展方向上各个叶素的弦长 和扭角。应用p r 0 1 f i l i 翼型软件输出翼型的形状数据，并获得所选择翼型的升阻系数、选 择该翼型的最佳工作点作为叶片设计点，将翼型离散的轮廓数据进行坐标变换，得到各个 叶素在空间上的坐标，用s o l i d w o r k s 进行了三维建模，为下一步叶片空气动力学分析打 下了基础。 4 1 绪论 2 、将动量定理和叶素理论结合，推导出关于影响叶片气动性能相关参数的表达式。 在考虑风力机结构的基础上建立了叶片关于惯性坐标系的坐标系统，将风力机结构参数对 气动性能的影响引入气动性能的计算，应用m a t l a b 数学软件进行了数值计算编程，给出 了叶尖速比、安装角等对风能利用系数影响关系，为后续变桨控制器设计提供基础数据。 3 、基于机理法建立起风力机各个子部件的数学模型，并整合成整机数学模型。由于 风力发电系统模型的非线性比较强，因此应用m a t l a b s i m u l i n i 【工具箱搭建仿真模块，为 变桨控制提供整机模型。 4 、基于上述工作的基础上，总结风力机出风力机的控制策略，应用模糊p d 参数整 定控制方法，设计了模糊控制器。应用呦模块实现，将建立起的控制器应用在变桨控 制中，仿真结果良好，到达了设计要求，为变桨控制提供理论参考。 西安理工大学硕士学位论文 6 2 风力机叶片设计和三维建模 2 风力机叶片设计和三维建模 2 1 引言 风力机的风轮是风力发电机组从空气中捕获能量要部件，要对风力机叶片进行空气动 力学分析，叶片机构设计是分析的基础。风轮叶片设计的内容主要包括：叶片数、风轮直 径大小、叶尖速比、翼型、弦长、各个叶素扭角等。本章基于简化的叶素理论计算了叶片 各个叶素的弦长、扭角，并用s o l i d w o r k s 进行叶片三维实体建模，为进一步分析叶片的 空气动力学打下了数据基础。 2 2 空气动能的获得过程、翼型的几何参数定义及风力机发展状况 2 2 1 空气动能的获得 风轮旋转运动的能量来自流动空气的动能。假设翼型的状态是静止的，风速的流向平 行于叶片横截面，气流以相同的相对速度吹向叶片，当气流流经该翼型时，可将该气流动 看成由围绕翼型的无升力流动和环绕翼型表面的环流动组成，如图2 1 所示。 - - - - 专 - - - - = 二二二咨+二- - 一- i i 皇= = _ - ；- - - - - - - - - - - - - 毒 图2 1 气流绕翼型流动的示意图 f g 2 - lt h ef l o wo fa i r f l o wa r o u n d f o i l 由于翼型上表面和下表面的形状不对称，促使流经翼型上下表面的空气速度发生改 变，上表面流速加快，下表面流速变缓。上述现象造成翼型上下表面空气压力的变化，如 图2 2 a 所示。翼型的上表面由于流速变快，使其压力低于周围的气压：下表面则由于空气 流速变慢，使其压力高于周围空气压力。正是因为翼型上表面气流速度的不同，所以形成 了一个绕翼型表面流动的环流，环流的存在导致该翼型开始受力。该翼型的受力图，如图 2 2 b 所示。图中f l 为作用于该翼型上的升力；f d 为作用在风轮轴向上阻力；升力f l 和轴 力f 。的合成力f 与弦线a b 垂直，其为该翼型所受到的气动力，升力f l 就是使风轮产生旋 转的动力n 们。 v - b ) 图2 2 翼型表面压力及受力 f i g 2 - 2t h ep 他s s u 陀a n da e i 、o d ”a m i cf o r c eo fa j r f o 订 7 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 翼型的几何参数 叶片翼型的形状决气动性能，在此给出如下假设其迎风面来流风速为v ，风向与其横 截面在同一平面，则其几何参数与入流角如图2 3 所示川1 。 图2 3 翼型的形状参数及入流角 f i g 2 - 3t h eg e o m e 仃yp 啪m e t e 硌孤dt h ef l o wa n g l eo f a i 哟i l 图中： 前后缘：么、b 点； 弦长：三为彳b 点的连线方向上翼型最大的长； 最大厚度：c 是弦长法线方向上翼型最大厚度； 相对厚度： c = c ，； 中线最大弯度： 厂称为翼型中线最大弯度； 相对弯度： 厂= 厂，； 入流角：流速度方向与零升力线间的夹角： 攻角：流速度方向与弦线间的夹角； 入流角： p ； 桨距角：皖是弦线与零升力线间的夹角； 2 2 3 风力发电机组的类型 风力机发电机组的类型：按照风力发电机组风轮在气流中的位置可将风力发电机组分 为垂直轴风力机( 例如达里厄式、马格努斯式) 和水平轴风力机两大类。垂直轴风力机的 风轮垂直于地面，其风轮绕一根垂直轴旋转。对于垂直轴风力机来说，其优点在于发电机 和增速箱都放安置在地面上便于维护，不需要建设塔架；风轮可以接受任何方向的来流， 无需偏航装置。水平轴风力发电机的风轮围绕一根水平轴旋转，在工作中要求风轮轴向与 风向平行，因此水平轴风力发电机组需要偏航装置，以保证风轮对风向的要求。随着人们 对可再生能源发展的重视，风力发电愈来愈受到人们的重视，单机高功率输出机组越来越 人们的青睐，由于垂直轴风力机在运行过程中尖速比比较低，同时与水平轴风力机相比在 风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输比较低，所以到目前为止，兆瓦级大 型风力机多采用水平轴形式。 2 3 风力机叶片的设计及建模 2 3 1 风轮设计的基本参数 l 功率设定：功率的选择与风力机所在风场所在地有密切关系，本设计的风力机额定 功率为1 5 兆瓦。 8 2 风力机叶片设计和三雏建模 2 叶尖速比：叶尖速比入。是风轮的叶尖的线速度与风轮所设计的额定风速之比，风 轮风能利用率与尖速比有密切关系。当风力机运行在高的尖速比的状态下时，风能利用率 比较高。本设计选九o = 9 。 3 叶片个数b ：入。对叶片数目的多少起决定性的作用，叶片数一般随着入。的增加而 减少。对于大型兆瓦级风力机来讲一般选2 或3 ，三片式的占大多数。本设计选b = 3 。 4 风能利用率c p ：对于大型风力机来说，一般选o 4 以上。本设计选c p = o 4 。 5 额定风速：额定风速的大小与风力机安装的风场的风况有关。本设计选择额定风速 为l o 5 i l l s 。 6 效率：风力发电机机组的效率受风力机的各个组成环节影响，简化认为由传动系统 的工作效率和发电机部分的效率组成1 2 1 。一般情况下取确，7 ：= 8 5 ，其中仇为传动系统 效率，7 ：为发电机的效率。 7 风轮直径d ：风轮直径由公式2 1 计算得出： d = ( 2 1 ) 式中：p 风机输出功率；，为设计风速；d 为风轮直径；仇为传动系统效率；，7 ：为发 电机效率；p 为空气密度，1 2 5 k g m 3 。本设计取d = 8 1 m 。 8 风轮额定转速：风轮转速由式2 2 确定：本设计 芦2 2 2 9 ( r m i n ) = ( 6 0 旯0 1 ，) “7 由)( 2 2 ) 2 3 2 翼型选择 翼型选取的标准：要求在某一攻角范围内升力系数较高，同时阻力系数较小；翼 型的雷诺数要与风力机实际运行情况下的雷诺数相近：在正常运转时，每个截面上的雷 诺数都大于临界值的条件；有良好的制造工艺。 设计点的选取：因为流体粘性的存在，所以翼型的阻力在设计时必须考虑。对于某一 翼型来说，最大升力系数处的阻力系数不一定很小。工作点应该选择在升阻比最大的点上， 以这个点的攻角作为设计点的攻角。为了简化设计，通常可以忽略雷诺数的影响，取设计 点的攻角作为整个叶片攻角1 ”。 本文借助p r o f i l i 翼型软件来选取最佳设计点及获得翼型几何数据。本文选择 n a c a 6 3 0 1 8 翼型，当雷诺数为o 5 1 0 6 时由p r o f i l i 软件可以获得叶片翼型升力系数c 卜 阻力系数c d 、升阻比c l c d 以及俯仰力矩系数c m 随攻角a 变化的关系曲线，如图2 - 4 图 所示。 从图2 4 中可见，对于翼型n a c a 6 3 0 1 8 ，当a = 6 5 。时，c i c d 达到最大值，其最大 值为7 3 5 2 4 8 ，相对应的c 卜c d 和c m 分别为0 7 4 2 6 、0 o l o l 和o 0 0 4 2 。选择此点为设计 点l 。 9 西安理工大学硕士学位论文 a ，c 一p h j 户弋- 。：。：一：y：。 0 ； 、 弋j ：，? ? ? 。，、。j 。 ：z ： 一， ： 0 ；并 。：。 。h ：一： ；吣 c 叫时口l 二；一+ ： 。：。：。夕 p | _p | 憎 图2 - 4 升阻比c d 随攻角a 变化曲线 f i g 2 - 4t h ec u r y eo fv e r s u sc 忱da t t a c ka n g e la 设定攻角的变化范围为_ 4 5 0 到+ 1 3 0 ，增加子步为+ o 5 ，所得升力系数，阻力系数随功 角变化如表2 1 所示。 叶片的翼型数据：根据所选择翼型n a c a 6 3 0 1 8 ，从p r o f i l i 软件导出该翼型的相关数 据，如表2 2 所示。 2 3 3 叶展设计 从叶根沿展到叶尖叶片的形状发生了扭曲，同时对于不同截面，扭转角和弦长都发生 了一定的变化。所以在进行叶展设计时，可以把叶片划分成多个截面来进行设计o 1 5 1 。 对于风力机风轮来说，输出的能量的7 5 来自叶片的前端，同时由于叶根部分离风轮轴 心太近导致叶根部各翼型力臂较小，基于以上原因，在叶根部分翼型设计时，可以只考虑 结构强度，一般都加工成圆形。本文将叶片共分成1 9 段，2 0 个截面进行设计，其中第l 和2 截面为圆。下面分别对弦长和扭角进行计算。 钆弦长c 的设计计算 叶片实度仃为叶片总面积除以风轮盘的面积，是决定风轮空气动力学性能的重要参数 们。弦长实度q 为给定半径下的总叶片弦长除以该半径的周长，如公式2 3 所示。 ncnc q 。瓦歹2 瓦页 ( 2 3 ) 有关资料表明，优化运行时的气流诱导因子为2 4 所示刀： 1 0 2 风力机叶片设计和三维建模 口= 川= 等 表2 1 翼型n a 6 3 0 1 8 升阻系数随攻角变化参数 ( 2 4 ) n a c a 6 3 018 ( r e = 5 0 0 0 0 0 ) ac lc dc l c d qc lc d c l c d 5 0- o 5 8 0 0 0 0 0 9 4_ 6 1 7 0 2 l4 00 4 6 7 lo 0 0 9 35 0 2 2 5 8 - 4 50 5 2 3 30 0 0 9 45 5 6 7 0 24 5o 5 2 3 4 0 0 0 9 4 5 5 6 8 0 9 4 50 5 2 3 3 o 0 0 9 45 5 6 7 0 25 o0 5 8 0 l0 0 0 9 46 1 7 1 2 8 - 4 o0 4 6 7 00 0 0 9 35 0 2 1 5 l5 50 6 3 6 4o 0 0 9 66 6 2 9 1 7 3 5- 0 4 0 8 8o 0 0 9 34 3 9 5 7 06 oo 6 9 0 30 0 0 9 87 0 4 3 8 8 3 0加3 5 0 6o 0 0 9 23 8 1 0 8 76 50 7 4 2 6 0 0 1 0 l 7 3 5 2 4 8 2 5 - o 2 9 3 l0 0 0 9 13 2 2 0 8 87 00 7 8 8 60 0 1 0 97 2 3 4 8 6 2 0加2 3 4 5o 0 0 9 12 5 7 6 9 27 5o 8 2 3 70 0 1 2 l6 8 0 7 4 4 1 5- 0 1 7 5 5o 0 0 9 11 9 2 8 5 78 00 8 5 1 7o 0 1 3 56 3 0 8 8 9 1 0- 0 1 1 7 20 0 0 8 91 3 1 6 8 58 5 0 8 7 5 l0 0 1 4 75 9 5 3 0 6 0 5o 0 5 9 l 0 0 0 9 06 5 6 6 79 00 8 7 3 9o 0 1 6 05 4 6 1 8 7 o o0 0 0 0 0o 0 0 9 00 o o o o9 5o 8 7 4 l0 0 1 7 84 9 1 0 6 7 0 50 0 5 9 20 0 0 9 06 5 7 7 81 0 00 8 8 5 40 0 1 9 4 4 5 6 3 9 2 1 00 1 1 7 3o 0 0 8 91 3 1 7 9 8l o 50 8 8 8 7o 0 2 1 5 4 1 3 3 4 9 1 5 0 1 7 5 5o 0 0 9 l 1 9 2 8 5 71 1 0o 9 2 8 4o 0 2 3 93 8 8 4 5 2 2 o0 2 3 4 60 0 0 9 l2 5 7 8 0 21 1 50 9 4 8 9o 0 2 6 l3 6 3 5 6 3 2 50 2 9 3 l0 0 0 9 l3 2 2 0 8 81 2 00 9 6 5 50 0 2 8 73 3 6 4 l l 3 oo 3 5 0 6 0 0 0 9 2 3 8 1 0 8 71 2 50 9 7 5 l 0 0 3 1 9 3 0 5 6 7 4 3 50 4 0 8 9 o 0 0 9 3 4 3 9 6 7 71 3 o0 9 7 3 l o 0 3 6 l 2 6 9 5 5 7 由动量理论可将式2 3 式变为： 仃，码= 尝丢码2 而：砉等等丽 其中：= 么，入为叶尖速比 再将2 4 式代入2 5 ，则得到 a r 知l2 8 9 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由2 3 式q 弦长实度与叶片弦长c 的关系可以求得弦长( 基于设计点) 。 表2 2 翼型n a c a 6 3 0 1 8 坐标 t a b l e 2 2c o o r d i n a t eo f s e c t i o n so f n a c a 6 3 0 18 n a c a 6 3 0 1 8翼型数据 x yx yxyxy l 00 3 5 o 0 9o 0 0 5o 0 1 4 0 40 4 5一o 0 8 4 8 2 0 9 5 0 0 0 3 4 8 0 30 0 8 9 1 3o 0 0 7 5o 0 1 7 1 30 5 一o 0 7 9 4 2 o 9o 0 0 9 8 5o 2 5 o 0 8 60 0 1 2 5- o 0 2 2 1 70 5 5- 0 0 7 2 5 6 0 8 5o 0 1 7 8 70 2 o 0 8 0 4 80 0 2 5_ 0 0 3 1 0 40 60 0 6 4 5 5 o 8 o 0 2 6 9 l 0 1 5o 0 7 2 2 50 0 5o 0 4 3 6 20 6 50 0 5 5 6 7 o 7 50 0 3 6 50 1o 0 6 0 6 80 0 7 5- o 0 5 3 0 8 0 7- o 0 4 6 2 2 0 7 0 0 4 6 2 2 0 0 7 50 0 5 3 0 8o 1- o 0 6 0 6 8o 7 50 0 3 6 5 0 6 50 0 5 5 6 7o 0 50 0 4 3 6 2o 1 50 0 7 2 2 50 8 _ 0 0 2 6 9 l 0 6o 0 6 4 5 50 0 2 50 0 3 1 0 4o 20 0 8 0 4 80 8 5 - 0 0 1 7 8 7 0 5 50 0 7 2 5 6 o 0 1 2 50 0 2 2 1 70 2 50 8 60 9旬0 0 9 8 5 o 5o 0 7 9 4 20 0 0 7 50 0 1 7 1 30 3- o 0 8 9 1 30 9 5 - 0 0 0 3 4 8 0 4 5o 0 8 4 8 20 0 0 50 0 1 4 0 4o 3 5- o 0 9l o o 4o 0 8 8 4 5 0 0 0 4- o 0 8 8 4 5 b 扭角p 由动量理论可以知到： 州2 赢南 ( 2 7 ) t 锄矽= r 27 、 五( 1 + 口) 、7 式中：妒为入流角并将优化条件式2 4 代入上式可得： 2 t a i l 驴= ，_( 2 8 ) 拟1 + 赢 那么，由入流角和桨距及攻角的关系角，可得： 夕= 妒一口 ( 2 9 ) 其中，a 及c i 为设计点所对应攻角度和升力系数的值。 基于以上推导，根据我们选取的叶片翼型n a c a 6 3 0 1 8 ，当雷诺数大约为5 1 0 5 时， 最大升阻比分别发生在升力系数c ，和攻角口分别为0 7 4 4 2 、6 5 。处。假设沿着叶片的升 力系数c 和攻角口保持为常数，并且有三个叶片在尖速比为9 的情况下运行，此时叶片 的平面形状和扭角( 桨距角) 变化曲线由式2 6 和2 9 可以绘制。图2 5 为弦长c 随搬 的变化曲线，图2 6 为叶片扭角p 随派的变化曲线。具体数据见表2 3 。 1 2 图2 6 扭角p 随r 瓜变化曲线 f i g 2 6v 撕a t i o n o f t 、戳w t hr 瓜 瓜 h舭删 妣沁 讯 随n c o 长 傩 刮矾 撕 图撕 魄 西安理工大学硕士学位论文 表2 3 叶展形状参数 1 阻b l e 2 3t 1 l ep a m m e t e r so fb l a d ei ns p a nw i 层序号r r半径r ( m )弦长cm安装角翼型 lo0中1 8o 无 20 14 0 5 o1 8 0无 30 1 5 6 0 7 54 6 38 5 4 3 2 1 3 5 2 5 4n a c a 6 3 0 1 8 4o 28 14 4 8 l1 0 2l6 6 5 6 3 3n a c a 6 3 0 1 8 50 2 51 0 1 2 54 3 2 3 6 6 21 3 0 5 4 0 ln a c a 6 3 0 18 6o 31 2 1 54 1 6 6 2 2 21 0 3 l “3n a c a 6 3 0 1 8 70 3 5 1 4 1 7 5 4 0 0 8 7 8 2 8 2 0 2 6 5 3n a c a 6 3 0 1 8 80 41 6 23 8 51 3 4 l6 5 3 6 1 3 2n a c a 6 3 0 18 9o 4 51 8 2 2 53 6 9 3 9 0l5 1 9 5 2 8 3n a c a 6 3 0 1 8 1 0o 52 0 2 53 5 3 6 4 6 l4 0 9 6 5 4n a c a 6 3 0 1 8 1 1o 5 52 2 2 7 53 3 7 9 0 2 l3 1 8 1 5 9 ln a c a 6 3 0 1 8 1 2o 62 4 33 2 2 1 5 82 4 0 8 9 2 5n a c a 6 3 0 1 8 1 3o 6 52 6 3 2 53 0 6 4 1 4