H型风轮气动载荷的计算研究

H 型风轮气动载荷的计算研究 口沈寿林口葛俊旭口粱鹏口蒋春祥 华电电力科学研究院杭州3 1 0 0 3 0 摘要 针对H 型垂直轴风力机叶片及风轮的气动裁荷计算 提出用于叶片旋转过程中相对风速与弦线攻角计算的 矢量一圃 图解方法 并在此基础上重点研究了H 型风轮的非线性理论模型 该模型适用于使用直叶片的H 型风轮工作 过程中单个叶片或是整个风轮切向 径向风栽以厦风轮扭矩的计算分析 结合采用N A C A 0 0 1 8 翼型的H 型风轮实例 分 析结果与J T e m p l i n 经验公式基本一致 验证了实例模型的准确性和计算方法的有效性 关键词 垂直轴风力机数值解法空气动力学矢量一圆图解法翼型 中图分类号 T K8 3文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 1 0 0 1 3 一0 4 风力机又称风车 是一种将风能转换成机械能 电 能或是热能的能量转换装置 1 风力机从结构上可以 分为两类 一是水平轴风力机 H o r i z o n t a lA x i sW i n d T u r b i n e s H A W 田 叶片安装在水平轴上 叶片接受风 能转动去驱动所要驱动的机械 2 1 二为垂直轴风力机 V e r t i c a lA x i sW i n dT u r b i n e s V A W 盯 风轮轴是垂直布 置的 叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械 2 就气动性能而畜 H A W T 的最大风能利用系数一般要 比V A W T 高 但现场测试与风洞试验的数据有所不 同 因为现场风向经常变化 H A W T 的迎风面不可能 总对着风向 这就引起了 对风损失 而V A W T 的优 点是不需设置对风装置 可吸收任意方向的风能 在考 虑到对风损失后 V A W T 性能并不一定低于H A W T 加上质量大的部件都可以放在下部或地面上 V A W T 不仅结构简单 造价低 而且便于维修 同时 由于 V A W T 的叶片不受交变的自重应力作用 其风轮叶片 的疲劳寿命相对较长 3 V A W T 可分为两个主要类型 一类是利用空气动 力的阻力做功 典型的结构是S 型风轮 它由两个轴线 错开的半圆柱形组成 其优点是启动转矩较大 缺点是 由于围绕着风轮产生不对称气流 从而对它产生侧向 推力 4 1 另一类是利用翼型的升力做功 最典型的是达 里厄 型 D a r r i e u s 风力机 达里厄风力机有多种形式 中 型 H 型 Y 型和菱形 基本上是直叶片和弯叶片两种 以巾型和H 型风轮为典型 4 1 H 型V A 可汀的风轮基本 上采用对称翼型 普通翼型的升力系数不能用近似的 解析式子表示 必须采用数值解法 5 笔者应用非线性 理论对H 型V A W T 建立了理论模型 提出了适用于各 翼型攻角计算的图解法 矢量一圆 法 研究了不 同条件下N A C A 0 0 1 8 对称翼型风轮的扭矩输出 横向 和径向风载计算模型 通过实例分析 该模型的分析结 果与J 腾普林经验公式值口 基本一致 收稿日期 2 0 1 0 年8 月 盛 机械制造4 9 卷第5 5 7 期 1H 型V A W T 的结构 H 型V A W T 主要由风轮装置 发电机 刹车装置 控制器和塔架等部件组成 6 如图1 H 型V A W T 的 风轮装置是把风能 转换为机械能的重 要部件 风轮装置 主要由主轴组件 支持翼 叶片等零 部件组成 主轴组 件为整个V A W T 重 要的承力构件 承 受横向风荷 并通 过主轴外的套筒传 递扭矩至发电机 发电机是V A W T 能 量转换装置的重要 组成部分 对H 型V A W T 建模时 采用的是带增速箱 的异步发电机 刹车装置是风力发电机必须配备的安 全控制机构 停机控制使风力发电机在需要进行维修 发生不正常运转或预计发生破坏性强风时 使风力发 电机停止运转 6 控制器通过控制发电机为负载或者 蓄能装置提供稳定的电能输出 塔架是V A W T 的支撑 部件 保证风轮安全 稳定 2 对称翼型的气动性能系数 翼型的气动性能直接与翼型外形有关 鲥 在仅有 重力作用的二维气体流场中 流体的压力R 与速度间 的伯努利方程为 7 C 匕斗研1 2 2 1 式中t P 为流体密度 C 为P 是常数时的可压缩流体定 型流伯努利积分结果 2 0 1 1 I 回 万方数据 H 型D a r r i e u s 风轮常用对称翼型 其升力系数 阻 力系数和俯仰力矩系数分别表示为 5 C 1 2 L 细护 2 C v 2 D 1 p 伊 3 C M 2M z p t P 4 式中 L D M 分别为翼型的升力 阻力和俯仰力矩 Z 为翼型弦长 考虑到伯努利方程应用在空气上的限度 即 在标 准大气压下 当流体相对速度口o 1 0 2m s 时 将空气 视为不可压缩性流体与将其视为可压缩性流体的动压 计算相对误差为2 2 5 t 引 因此 当H 型风轮叶片转动 过程中 流体的相对速度小于口 时 忽略空气的可压 缩性后得到对称翼型的L i l i e n t h a l 空气动力学系数为 fC C L s i n o t C v c o s o t G C L c o s a C D s i 孵 7 式中 t l t 为风轮旋转过程中的叶片气动攻角 翼剖面上升力特性可用升力系数C L 随攻角n 变 化的曲线即升力特性曲线来表示 同样 翼剖面阻力 特性可用阻力系数C 随攻角n 变化的曲线即阻力特 性曲线来表示拈 如图2 图2 中对称翼型N A C A 0 0 1 8 和N A C A 0 0 2 1 的空 气动力学系数取自文献 8 中的试验结果 3 V A W T 风轮叶片攻角计算的图解法 半径为尺的H 型风轮以角速度 逆时针旋转 见 图3 其叶片前缘与铅垂线平行 对于高度h 的叶片 在时刻t 其极坐标为僻 研 其中良 w t 取H 型风轮叶片的初始安装角为谚 叶片运动线 速度u R 远端风速为口 则相对风速为 W I I 6 建立半径为 的圆 以圆心为起点建立矢量 则得 到用于分析叶片攻角的 矢量一圆 模型 见图4 当叶 片在直角坐标系1 象限时 其速度矢量比指向位于2 象限 相对风速W 和 的夹角为妒 若叶片初始安装角 砂 0 则妒即是攻角 相对速度 与翼弦A A7 的夹角 若妒 O 则攻角a 妒砷 图5 所示为H 型风轮转速 低 远端风速大于叶片线速度的 矢量一圆 模型 由图4 和图5 可以看出 叶片线速度矢量与其叶 片位置矢量尺正交并超前 r r 2 当尺和移为某一确定 值时 任意时刻t 的攻角 皆可由二维 矢量一圆 图上 直接测量得到 将 矢量一圆 中叶片位置由极坐标转换为直角坐 标 得到t 时刻叶片位置坐标为 I 髫 R c 螂 7 l y R s i r 埘o t 由图示关系得到w 与弘夹角以锐角 为 a a r c c o s 2 l 2 哪2 l 2 u w 8 考虑叶片初始安装角度砂 O 得到风轮的叶片气 动攻角为 o t o t t 器 砂 9 I 瓦函而J 缈 9 4H 型V A W T 的非线性理论模型 对于H 型D a r r i e u s 风轮来说 其叶片前缘与铅垂 线 三维坐标系Z 轴 平行 在垂直于Z 轴的任一平面 内取一段厚度为出的叶片作为叶素 在叶素所处水平 面的分量分别为 fW r V s i n 口 W t M q 3 C O S 0 1 0 l 训产0 将W 投影到叶素平面的埘 为 w v s i n O 1 1 叶片气动攻角表示为 爹一i 回2 0 1 1 t机械制造4 9 卷第 s s 7 期a 蛋啬 万方数据 a a r c 胁 瓦羔 1 2 5 实例分析 则叶片上的空气动压表示为 q p w l z 2 1 3 式中 w l w r 2 伽 2 以 p 为空气密度 得到叶素法向n 和切向t 的分力分别为 d N C q l d s 1 4 d T C g t l d s 1 5 式中 氏 c D 分别为式 5 得到的叶片L i l i e n t h a l 空气动 力系数 分别为叶素的升力系数和阻力系数 对于等弦长Z 的叶片 叶素段的扭矩表达为 d M R d T R C 雨l l d s 1 6 某时刻t 时单个叶片沿长度积分 可以得到此叶 片提供的扭矩为 M s IR C c t l d s R C 4 t l h 1 7 6 单个叶片在转动一圈 过程中提供的平均扭矩可 以表示为 厶 肚吾 M o c k 1 8 式中 t o 2 叮r l w 6 0 n n 为风轮转速 假设H 型D a r r i e u s 风轮由B 个叶片组成 对于风 轮每个叶片的初始计算位置不同 因此由式 1 7 得到 第i 个叶片的计算扭矩为 警2 警砌伪 1 9 任一时刻t 的风轮各个叶片合扭矩为 l 庐 尬b 2 0 i 1 叶轮转动一圈提供的平均扭矩表示为 厶 悱寺 帆I 砂 2 1 式中 肚 O t 通过对H 62 0 0 咖 R 30 0 0 姗的5 叶片H 型 风轮进行分析 在远端风速v l On d s 和风轮转速 l 1 5 0r m i n 时 单个叶片某位置的径向力 和切向力丁 符合式 1 4 和 1 5 的计算结果 对上述H 型风轮在 0 2 竹 进行间隔计算 得到该风轮横向风载标量值 图国 O 竹 时该风轮的径向风载指向偏离极坐标点 霄 2 r r 时其指向极坐标点 若将风轮的每个叶片的径向 载荷在各个位置进行正交分解 叠加后得到该风轮旋 转一圈过程中各计算位置的载荷分量 如图7 其中远 端风速l 指向平行正交坐标系l 轴 各计算位置的间 隔为霄 1 2 同样条件下对该H 型风轮的切向戡荷进行分解 和叠加 得到风轮切向力正交分量 图8 和切向力标 量值的极坐标图 图9 由图6 和图9 看出 最大径向 风载矢量和切向风载矢量皆与远端风速矢量不平行 图l O 为该H 型风轮在转速间隔变化时 远端风 速由O 5 2 0 5m s 逐渐增加过程中风轮的功率输出 由图1 0 中可以看出 由J 腾普林提出的经验公式的结 果曲线穿越了各个条件下的风轮功率极值点 D a r r i e u s 风轮的最大功率的J T e m p l i n 经验公式 3 为 P 0 255匆3 22 式中 S 为风轮扫掠面积 6 结论 H 型D a r r i e u s 风轮的建模须分析其叶片空气动力 学特性 必须时刻计算叶片旋转过程中的相对风速与 翼型弦线的夹角 即叶片气动攻角的计算 叶片处于不 同旋转位置时 其攻角为旋转速度 时间t 和初始安 装角砂的函数 叶片攻角需经过复杂的数值计算 然 后完成叶片的受力分析 通过直叶片的H 型风轮的建 模 文中提出的 矢量一圆 图解方法可以更为方便地得 到叶片各个位置的攻角 结合采用N A C A 0 0 1 8 翼型的 机械制造4 9 卷第5 5 7 期 舢 t i 回 万方数据 毫 丹 髁 丑 奢 远端风速w m 8 I 图1 0n 1 4 0 2 0 0r r a i n 时风轮输出功率 H 型风轮的功率 风载建模分析 计算结果与J 腾普林 经验公式值吻合良好 验证了该实例模型的准确性和 建模方法的有效性 参考文献 1 田海姣 王铁龙 王颖 垂直轴风力发电机发展概述 J 应 用能源技术 2 0 0 6 1 1 2 2 2 7 2 苏绍禹 风力发电机设计与运行维护 M 北京 中国电力 出版社 2 0 0 3 3 L eG o u r i e r o s D 著 施鹏飞译 风力机的理论与设计 M 北 京 机械工业出版社 1 9 8 7 4 田海姣 巨型垂直轴风力发电机组结构静动力特性研究 D 北京 北京交通大学 2 0 0 6 5 陈云程 陈孝耀 朱成名 风力机设计与应用 M 上海 上 海科学技术出版社 1 9 9 0 6 牛海峰 张冬 H 型垂直轴风力发电机的结构设计 J 上海 电力 2 0 0 7 5 5 1 6 5 1 8 7 A K M a 呻l I o B 著 空气动力学 M 北京 高等教育出版 社 1 9 5 7 8 R o b e r tE S h e l d a h l P a u lC K l i m a s A e r o d y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c so fS e v e nS y m m e t r i c a lA i r f o i lS e c t i o n st h r o u g h1 8 0 D e g r e eA n g e lo fA t t a c kf o rU s ei nA e r o d y n a m i cA n a l y s i so f V e r t i c a lA x i sW i n dT u r b i n e s R I s s u e db yS a n d i aN a t i o n a l L a b o r a t o r i e s o p e r a t e df o rt h eU n i t