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[摘 要]在已知风机载荷和周边环境风速的情况下,使用一维动量理论及叶素动量理论对风轮半径、旋转角速度以及叶尖速比等参数进行了选取了计算,并使用软件MATLAB对叶片不同叶素截面针对扭角和弦长进行了计算,最终选取翼型得出了翼型表面。
[关键词]叶片;翼型;扭角
中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)44-0345-01
随着风能利用技术的不断发展,大功率MW级风机已经进入了实验和应用阶段,叶片尺寸的不断增大增长,对叶片受力提出了更高的要求,为了使叶片沿轴线方向的受力尽量保持稳定,在叶片设计中,沿轴线方向其翼型及扭角需要不断变化,这种设计使得风力叶片外形非常复杂,其翼型轮廓也很难找到对应的数学方程来进行表述。因此在已知风机功率和当地平均风速的情况下,如何正确处理叶片参数以及计算翼型是叶片设计的必要步骤。
一、叶片参数选取及计算
本文参照淄博卡特风力发电机有限公司的“CAT-20W”叶片技术指标,假设风机标称功率为20KW,平均风速为10m/s,针对风能吸收效率Cp、叶片数 B、风轮半径R、及叶尖速比λ0等各项参数,使用相应的叶片设计理论来进行选取和计算。
1 风能吸收效率CP
在风力叶片中,影响风机风能吸收的通常有两个参数:前端叶片处的机械效率Cmech、后端电机处的电气功率Celec。前者,在现代三桨叶风轮轮毂处测出的最优值范围是0.52~0.55;而后者的电气功率一般为0.46~0.48[1]。由贝茨理论的定义可得:风能吸收效率CP为单位时间内,风轮吸收功率与风能总功率的比值,有公式为:
该值即为风力机标称功率,一般取值范围是0.25~0.45,这里本文Cp取值0.39。
2 风轮半径R
计算风轮半径R,则通过空气速度求得起单位质量内所携带的风能,并且计算出风轮所需要吸收的动能总量,求得风轮上通过的空气总体积,反推出风轮半径。由于公式推导中均为单位时间内,因此动能转化成功率计算。
风能总功率有公式[2]为:
3 叶尖速比λ
叶尖速比的定义为:叶片上的叶尖速度与来流风速的比值。作为叶片设计中的重要参数,叶尖速比的大小通常对应着风能吸收率的大小,变桨距风机关系图4 叶片数B
由于λ取值为4~7,因此属于高速型风机,对应叶片数B应取值2~3,现在大部分高速风机均使用3叶片系统,因此B取值为3。
由上述参数,得到叶片参数汇总表如下:
表格1叶片基本参数表
二、翼型设计
由叶素理论可知,翼型的升阻比大小直接影响风轮的风能利用系数CP,在翼型设计以及后续翼型优化中,设计目标通常以风能利用系数CP最大化作为评判标准,同时考虑光滑与粗糙的工况,使翼型升阻比最大化,有公式[4]下:
式中:、分别为光滑与粗糙下的权值系数,,且;CL/CD以及C`L/C`D分别为光滑与粗糙下的升阻比。
依据BEM理论,再通过MATLAB的矩阵和组数计算,导出了15个叶素截面上的弦长以及扭角系数,由数据画出叶片扭角分布图如图1:
根据上述叶片设计尺寸,以及扭角分布,选择翼型SG6050进行计算,其设计参数在软件Profili数据库中可以直接导出[3],其操作步骤为: Airfoils management—SG6050—Export—Export selected airfoil to a.TXT file. 即可导出翼型尺寸如图2:
三、总结
本文主要阐述了,在风机功率额定以及周边环境风速确定的情况下,如何正确取用各类参数,以及对叶片的初始外形以及翼型进行计算与确定,在确定了各项参数后,使用MATLAB对对应弦长处的扭角尺寸进行了计算。
参考文献
[1] 崔晓伟.风力发电机叶片疲劳试验机的仿真研究与设计[D].华东理工大学,2014.
[2] 李德源,叶枝全,陈严,包能胜.风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析[J].太阳能学报,2004,05:592-598.
[3] 张石强.风力机专用翼型及叶片关键设计理论研究[D].重庆大学,2010
[4] 陈进.风力机翼型及叶片优化设计理论[M].北京:科学出版社.2013
作者简介
张轶(1986—),男,甘肃兰州人,西南石油大学工程热物理专业2012级在读硕士研究生,主要研究方向为风力叶片建模理论。
[关键词]叶片;翼型;扭角
中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)44-0345-01
随着风能利用技术的不断发展,大功率MW级风机已经进入了实验和应用阶段,叶片尺寸的不断增大增长,对叶片受力提出了更高的要求,为了使叶片沿轴线方向的受力尽量保持稳定,在叶片设计中,沿轴线方向其翼型及扭角需要不断变化,这种设计使得风力叶片外形非常复杂,其翼型轮廓也很难找到对应的数学方程来进行表述。因此在已知风机功率和当地平均风速的情况下,如何正确处理叶片参数以及计算翼型是叶片设计的必要步骤。
一、叶片参数选取及计算
本文参照淄博卡特风力发电机有限公司的“CAT-20W”叶片技术指标,假设风机标称功率为20KW,平均风速为10m/s,针对风能吸收效率Cp、叶片数 B、风轮半径R、及叶尖速比λ0等各项参数,使用相应的叶片设计理论来进行选取和计算。
1 风能吸收效率CP
在风力叶片中,影响风机风能吸收的通常有两个参数:前端叶片处的机械效率Cmech、后端电机处的电气功率Celec。前者,在现代三桨叶风轮轮毂处测出的最优值范围是0.52~0.55;而后者的电气功率一般为0.46~0.48[1]。由贝茨理论的定义可得:风能吸收效率CP为单位时间内,风轮吸收功率与风能总功率的比值,有公式为:
该值即为风力机标称功率,一般取值范围是0.25~0.45,这里本文Cp取值0.39。
2 风轮半径R
计算风轮半径R,则通过空气速度求得起单位质量内所携带的风能,并且计算出风轮所需要吸收的动能总量,求得风轮上通过的空气总体积,反推出风轮半径。由于公式推导中均为单位时间内,因此动能转化成功率计算。
风能总功率有公式[2]为:
3 叶尖速比λ
叶尖速比的定义为:叶片上的叶尖速度与来流风速的比值。作为叶片设计中的重要参数,叶尖速比的大小通常对应着风能吸收率的大小,变桨距风机关系图4 叶片数B
由于λ取值为4~7,因此属于高速型风机,对应叶片数B应取值2~3,现在大部分高速风机均使用3叶片系统,因此B取值为3。
由上述参数,得到叶片参数汇总表如下:
表格1叶片基本参数表
二、翼型设计
由叶素理论可知,翼型的升阻比大小直接影响风轮的风能利用系数CP,在翼型设计以及后续翼型优化中,设计目标通常以风能利用系数CP最大化作为评判标准,同时考虑光滑与粗糙的工况,使翼型升阻比最大化,有公式[4]下:
式中:、分别为光滑与粗糙下的权值系数,,且;CL/CD以及C`L/C`D分别为光滑与粗糙下的升阻比。
依据BEM理论,再通过MATLAB的矩阵和组数计算,导出了15个叶素截面上的弦长以及扭角系数,由数据画出叶片扭角分布图如图1:
根据上述叶片设计尺寸,以及扭角分布,选择翼型SG6050进行计算,其设计参数在软件Profili数据库中可以直接导出[3],其操作步骤为: Airfoils management—SG6050—Export—Export selected airfoil to a.TXT file. 即可导出翼型尺寸如图2:
三、总结
本文主要阐述了,在风机功率额定以及周边环境风速确定的情况下,如何正确取用各类参数,以及对叶片的初始外形以及翼型进行计算与确定,在确定了各项参数后,使用MATLAB对对应弦长处的扭角尺寸进行了计算。
参考文献
[1] 崔晓伟.风力发电机叶片疲劳试验机的仿真研究与设计[D].华东理工大学,2014.
[2] 李德源,叶枝全,陈严,包能胜.风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析[J].太阳能学报,2004,05:592-598.
[3] 张石强.风力机专用翼型及叶片关键设计理论研究[D].重庆大学,2010
[4] 陈进.风力机翼型及叶片优化设计理论[M].北京:科学出版社.2013
作者简介
张轶(1986—),男,甘肃兰州人,西南石油大学工程热物理专业2012级在读硕士研究生,主要研究方向为风力叶片建模理论。