风力发动机气动理论

1、A practical design model Name: Zhaoxinhui Time : 10 December 2015 Content 2. Double Actuator-Disk Theory 3. Dynamic stall 4.Wind conditions of turbulence 1. Blade element theory 1. Blade element theory 贝茨理论 贝茨理论是基于水平轴风力发电机的，但是作用在运动翼型上的空气 动力、以及在力学相似条件下运行的几何相似风力机的概念，对垂直 轴也是适用的。而且，对垂直轴风力机功率的估算也要与用贝茨公式

2、计算的最大功率相比较。贝茨理论是应用一元定常流动的动量方程， 来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝茨理论的假 设条件如下： 1.风轮流动模型可简化成一个流管 2.风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘 3.风轮叶片旋转时没有摩擦阻力，风轮前未受扰动的气流静压和风轮 后的气流静压相等 4.作用在风轮上的推力是均匀的 实际情况下，在能量的转实际情况下，在能量的转 换过程中，由于存在各种换过程中，由于存在各种 损失，风轮的输出功率损失，风轮的输出功率必必 然然有所下降，而且由于采有所下降，而且由于采 用的风力机和发电机的形用的风力机和发电机的形 式不同，其能量损失也不式

3、不同，其能量损失也不 一样一样，一般，一般约为最大输出约为最大输出 功率的功率的 1/3。也就是说实际也就是说实际 风力机的功率利用系数风力机的功率利用系数 Cp0.593。 1. Blade element theory 叶素理论是从叶素附近流动来分析叶片上的受力和能量交换。风 轮是风力机组成的最核心部分，它要获取能量，是通过组合多个 叶片在一起吸收转化风所具有的动能。翼型是构成叶片的基本元 素，翼型的展向延长便构成了叶片，即叶片的剖面形状就是翼型。 叶素理论就是基于对叶片翼型的分析来分析叶片的受力状况，取 叶片翼型微元段为基础研究对象，分析叶片所受的气动力。翼型 的形状和受力分析如下图。

4、1. Blade element theory 对风力机来说，风力机转动其实就是风轮叶片的转动，在转动的 过程中，空气以相对速度W吹向叶片。由伯努利方程可知，这种 运动会使空气产生的压力不均匀的分布在翼型表面上，这样势必 使翼型上表面的气流压强要高于翼型下表面，使翼型上、下表面 产生压差。由于压差的存在，翼型表面会产生力的作用。翼型表 面上的作用力可分解为垂直于相对速度W的升力Fl和与相对速度 平行的阻力Fd。 1. Blade element theory 1. Blade element theory 1. Blade element theory 2.Double Actuator-Di

5、sk Theory 2.1 Single Actuator-Disk Schienbein ） 在大多数风场，提高展弦比增加风轮的平均高度，是捕获更多能 量的另一种方法，但要求增加风轮转子材料的刚度。一般情况下 风轮的高径比为0.81.2。 风力机风轮转速主要受控于风况、转子实度和额定功率。通过增 加转子转速可以用最小的叶片扫略面积获得更多的能量；但这很 可能导致叶片不能承受气动和惯性载荷。 2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 对提出的双盘面多流管模型进行了改进，不仅假设每个微流管上、 下游盘面处的诱导速度不相同,而且假设

6、上游盘面和下游盘面不同 微流管的诱导速度也不相同。同时,在流管的扩张效应、叶片的非 定常运动效应等方面做了大量修正,使得该模型更趋完善。 2.3 Double Actuator-Disk & Multiple Stream-tube（DDMT） 基于动量定理的流管模型在一定速比、密实度和载荷范围内能够有效 地预报风机叶轮的总体气动性能,例如能量利用率一速比特性、风速一 转速一功率特性等而且多流管模型能够计算流场的某些细节,例如上游 盘面对下游盘面的影响。流管模型简单快捷,便于工程应用,在垂直轴风 机叶轮气动性能预报上得到了广泛的应用和发展。但是,流管法由于其 模型本身的局限性,也存在一些不足首

7、先不太适用于计算较高速比、密 实度和载荷情况下的风机叶轮的气动性能,在大速比情况下,动量方程求 解容易发散,从而得不到诱导速度其次动量定理模型忽略了垂直来流方 向的诱导速度,在求解风机计卜轮侧向受力时有一定的困难另外由于流 管法不能精确地计算流场细节,因而无法准确地预报风机叶片的非定常 特性和瞬时载荷。 3. Dynamic stall 动态失速的典型特征为涡扰动沿上部升力面的脱落与发展。由于动态失速的典型特征为涡扰动沿上部升力面的脱落与发展。由于 涉及更多参数，动态失速比静态失速更难分析和预测。动态失速涉及更多参数，动态失速比静态失速更难分析和预测。动态失速 特性除取决于特性除取决于翼型翼型

8、俯仰振荡的初始攻角俯仰振荡的初始攻角、折算频率折算频率、俯仰中心位、俯仰中心位 置和攻角变化幅值外，还与置和攻角变化幅值外，还与翼型形状翼型形状、运动形式运动形式、表面粗糙度、表面粗糙度、 雷诺数雷诺数、马赫数马赫数和和三维效应三维效应有关，是一种非常复杂的非定常效应有关，是一种非常复杂的非定常效应。 对于给定翼型，决定流动分离程度的主要参数为最大攻角。动力对于给定翼型，决定流动分离程度的主要参数为最大攻角。动力 失速一个重要因素是大幅度运动，从而导致很大的攻角峰值。失速一个重要因素是大幅度运动，从而导致很大的攻角峰值。 国内外国内外学者对动态失速进行了大量的研究工作，并提出了一系列学者对动态

9、失速进行了大量的研究工作，并提出了一系列 的失速模型，用于对动量的失速模型，用于对动量叶素理论模型的修正。其中应用较广叶素理论模型的修正。其中应用较广 泛的有泛的有 Gormont 模型模型MIT 模型和模型和 Beddoes 模型。模型。 动态失速是指一个振荡动态失速是指一个振荡(或做其它非定常运动或做其它非定常运动) 的物体在其压力面的物体在其压力面 超过临界迎角时绕流流场发生非定常分离和失速的现象超过临界迎角时绕流流场发生非定常分离和失速的现象,例如例如,直直 升机桨叶旋转、航空发动机的涡轮和风力机叶片的颤振等流动中升机桨叶旋转、航空发动机的涡轮和风力机叶片的颤振等流动中 都会发生动态失

10、速。动态失速可以在许多情况下出现如大气紊流、都会发生动态失速。动态失速可以在许多情况下出现如大气紊流、 塔座影响、偏航工况等等。风力机的动态失速发生在进口来流攻塔座影响、偏航工况等等。风力机的动态失速发生在进口来流攻 角快速变化的过程中风轮叶片表现出的与风洞实验完全不同的气角快速变化的过程中风轮叶片表现出的与风洞实验完全不同的气 动特性。动特性。1988 年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文 证实了动态失速对叶轮负荷的严重影响证实了动态失速对叶轮负荷的严重影响。 垂直轴风力机垂直轴风力机风轮在旋转过程中，风轮叶片单元类似翼型的俯仰振荡运动，风

11、轮在旋转过程中，风轮叶片单元类似翼型的俯仰振荡运动， 攻角攻角的大小和方向随方位角的变化呈周期性规律变化。当叶片单元攻角增加的大小和方向随方位角的变化呈周期性规律变化。当叶片单元攻角增加 达到达到静态静态失速攻角时，翼型的绕流仍然保持附着流动；随着攻角的增大，绕失速攻角时，翼型的绕流仍然保持附着流动；随着攻角的增大，绕 翼型的翼型的气流将气流将会在后缘和前缘发生分离，导致法向力系数过大，俯仰力矩系会在后缘和前缘发生分离，导致法向力系数过大，俯仰力矩系 数减小；接着数减小；接着法向法向力系数急剧减小，此时的攻角称为法向力动态失速攻角。力系数急剧减小，此时的攻角称为法向力动态失速攻角。 经过动态失

12、速攻角经过动态失速攻角范围范围后，翼型并不会在攻角小于动态失速攻角时立即恢复后，翼型并不会在攻角小于动态失速攻角时立即恢复 到静态失速时的绕流状态到静态失速时的绕流状态，而是，而是对攻角的反应稍有滞后，在气动力特性曲线对攻角的反应稍有滞后，在气动力特性曲线 上表现为一个迟滞现象。造成上表现为一个迟滞现象。造成这种这种情况的原因是由于叶片在大攻角下非定常情况的原因是由于叶片在大攻角下非定常 运动时，绕翼型气流发生分离及运动时，绕翼型气流发生分离及迟滞的迟滞的现象，即动态失速。动态失速是立轴现象，即动态失速。动态失速是立轴 风力机低尖速比下运行时的必风力机低尖速比下运行时的必 然结果。然结果。 G

13、ormont 模型是第一个用于风轮设计及性能分析的方法,该模型需 要知道实际攻角值,和攻角的时间变化率,以及两个由实验决定的 常数,实践证明该方法仅对一部分风轮有效,这是由于修正系数的 不确定性造成的。Beddoes 发展了一个新的动态失速模型它基于 对动态失速现象较深入的了解,因此比第一种方法更合理可靠,对 攻角的时间变化率不敏感,目前该方法较普遍地应用于预估风轮的 动态失速特性,但不足是也必须依赖于经验修正常数。ONEAR 于 1991年发展了一种新模型,在该模型中,用常系数线性微分方程用 于描述升力和阻力系数的线性和非线性部分,本方法的适用范围及 预估精度正在不断完善中。 Gormont

14、 模型不考虑动态失速效应对翼型的升力线斜率与零升力 攻角的影响，通过修正失速时的攻角以达到对升、阻力系数和转 矩系数的修正，可直接与流管模型结合，用于预测垂直风力机叶 片的动态失速效应。Gormont 模型主要针对低叶尖速比情况，由 描述直升机叶片的动态失速发展而来，现已被众多学者应用于 VAWT 的研究。下面主要阐述 Gormont 动态失速模型和 Masse 修 正方法 4.Wind conditions of turbulence 4.湍流风况下的转子气动特性 早期的VAWTs气动模型基于定常诱导风况，因此仅可预测气动载 荷的周期性变化。研湍流风况下转子的气动特性，目的在于建立 湍流风况下的转子气动载荷预测模型。该模型同样基于DMS方法， 并在此基础上引入随机风模型。 模型中采用功率谱密度来模拟湍流速度波动。问题的关键在于如 何使用相关频域和空间修正来生成湍流区域。实验表明：在气动 模型中引入随机风效应，可以使气动载荷的预测效果更佳。 4.湍流风况下的转子气动特性 一般而言，所有气动