风力发电机相似模型的能量转换特性实验_以200W浓缩风能型风_第1页
风力发电机相似模型的能量转换特性实验_以200W浓缩风能型风_第2页
风力发电机相似模型的能量转换特性实验_以200W浓缩风能型风_第3页
风力发电机相似模型的能量转换特性实验_以200W浓缩风能型风_第4页
风力发电机相似模型的能量转换特性实验_以200W浓缩风能型风_第5页
已阅读5页,还剩9页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、风力发电机相似模型的能量转换特性实验 以 200W 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 为 例韩巧丽,田 德,盖晓玲,徐丽娜,王利俊(内 蒙 古 农 业 大 学 机电工 程 学院, 呼 和浩 特 010018摘 要 :浓缩 风 能 型 风 力 发 电 机 提 高 了 风 能 的 品位,改 善了 风 能 的不 稳定 性 ,其能 量转 换 规 律 具 有 特殊 性 。 通 过 采用 车 载 法 对 200W 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 相似模 型的 流 场 进行 测试 , 运 用 皮 托 管 和 数字 压 力 计 测试 了 各断 面 特 征点 的 总 压 和 静 压 ,获 取 了

2、能 量 转换 特 性。实 验表 明 :在 自 然 风 场 风 速 为 10m/s, 12m/s和 14m/s时, 中 央 圆筒 的 3个 断 面 的 能 量 分 别 增 至 相 同 面积的 前 方来流 风 能 的 2.49倍 、 2.27倍 和 2.20倍。关键 词 :动力 机 械 工 程 ; 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机;实 验 研究; 相 似 模型 ; 能量 转 换中 图 分 类号 :TK83 文 献 标 识 码 :A 文章 编 号:1003 188X(200702 0199040 引言浓缩风能型风力发电机由于减少了交变载荷对 叶轮的冲击, 使叶轮旋转时振动减小, 且噪音降低,

3、提高了发电机和叶轮的寿命,延长了整个机组的寿 命,从而提高了发电总量,降低了风电度电成本 1。 浓缩风能型风力发电机采用聚能原理 2,前方设收 缩管,中间设中央圆筒,后方设扩散管。自然风流 经浓缩风能型风力发电机时,呈湍流运动的自然风 在增压弧面、收缩管、中央圆筒和扩散管的共同作 用下被增速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电。 为了提高浓缩风能效果, 通过对 200W 浓缩风能型风 力发电机相似模型流场特性进行试验,分析研究了 该型机的能量转换特性。1 结构与计算公式1.1 浓缩风能型风力发电机200W 浓缩风能型风力发电机结构简图如图 1所 示。 收缩管 (3从空气流入口 (断面 a 至中央圆

4、筒 (4入口 (断面 b 的收缩面积比设计为 1F :2F ; 收缩管 (3收缩角为 ;叶轮 (5和发电机 (6安装在中间圆筒 流路中;扩散管 (7从叶轮 (5的后方 (断面 b 至空 气 流 出 口 (断 面 c 的 扩 散 角 设 计 为 ; 扩 散 管 出 口 (断面 c 和入口 (断面 b 的面积比设计为3F :2F 。 空 气流入口 (断面 a 的四周迎风面设计为增压圆弧形 状 (2, 既有利于浓缩风能型风力发电机的前后方形 成压差,又有利于风力发电机导向。1.2 计算公式1.2.1总压恢复系数 总压恢复系数 的计算公式为12/ttPP=式中1tP 控制体进口断面 a 的总压;2tP

5、 控制体出口断面 b 的总压。1. 风 向 2.增 压 圆 弧 板 3.收 缩 管 4.中 央 圆 筒 5.叶 轮 6. 发 电 机 7.扩 散 管 8.尾 翼图 1 200W浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 结 构 简 图Fig.1 The configuration of 200W concentrated wind energy turbine1.2.2 总压系数总压系数tpC 的计算公式为221VPCPtt=式中 V 自然风场风速(m/s ;空气密度(kg/m3 ;tP 浓缩风能装置内测试点总压(Pa 。 b b(a (b V/ 1.2.3 静压系数静压系数 s p C 的计算公

6、式为202V P C s s =P式中 s P 浓缩风能装置内测试点静压(Pa 。 1.2.4 动压系数动压系数 v P C 计算公式为s t v P P P C C C =2 浓缩风能型风力发电机能量转换理论分析2.1 提高风速对空气密度的影响1 雷诺数 Re 的计算公式为VdRe =(1式中 V 自然风场风速(m/s; d 模型的特征几何尺寸(当量直径 (m ;空气的运动粘度(m 2/s 。2 马赫数 M 的计算公式为a V M /= (2式中 a 当地音速(m/s。 3 当 V 增大为 n 倍时,空气密度为 。22222211(211211M n aVn M =0 (3 式中 0空气密度

7、(kg/m3。目 前 , 风 力 发 电 机 利 用 自 然 风 场 最 大 风 速 为 25m/s,设当地音速为 340m/s,马赫数 M 为 0.074, 当风速增加为原来的 1.5倍时,此时空气密度降低 了 0的 0.7%。2.2 能量转换理论分析风能是指空气运动具有的动能。空气在单位时 间 (1s流经叶轮时叶轮所获得的能量为321AV C P p 0=(4 式中 P 叶轮在单位时间所获得的能量(W ; A 叶轮面积(m 2;0空气密度(kg/m3, 0=1.159kg/m3;p C 风能利用系数, p C =0.3。根据式 (4可以这样分析,通过浓缩风能装置, 使 V 增 大 , 则

8、P 必 然 增 大 。 设 使 V 增 大 为 n 倍 , 由 (3和 (4式可得302233 211(21 (21AV C M n n nV A C P p p = (5由式 (5可知,使 V 增大后, 比 0略有减小, 则 P 增加。3 200W 机组相似模型流场特性车载法实验3.1 相似模型200W 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 相 似 模 型 的 收 缩 管 入 口 面 积 、 中 央 圆 筒 面 积 和 扩 散 管 出 口 面 积 比321:F F F 为 2.0:1.0:2.8, 中央圆筒直径为 900mm 。相似模型的收缩角 为 90º、扩散角 a 为 60&

9、#186;,均与 200W 浓缩风能型风力发电机相同。 3.2 实验方法和实验内容 3.2.1 实验方法采用车载法进行实验。实验时,相似模型固定 在与客货车身中心线对称的位置上,且超出驾驶室 顶面一定高度;在模型前方一定距离设置皮托管, 测量自然风场风速。用客货车搭载模型沿直线公路 变速行驶时会产生不同流速的自然风场,当车速稳 定时就可以产生稳定的流场。流场的总压、静压和 自然风场风速的测定采用皮托管和数字压力计组合 进行测试。 3.2.2 实验内容调节汽车的行驶速度,使载有相似模型的客货 车 沿 直 线 公 路 行 驶 时 , 产 生 流 速 分 别 为 10m/s, 12m/s和 14m/

10、s等 3种自然风场。当相似模型不安 装叶轮和发电机时,用皮托管和数字压力计对相似 模 型 内 轴 向 与 径 向 的 不 同 点 进 行 总 压 (t P 和 静 压 (s P 测试。通过对测试数据计算分析,得出相似模 型内的流场特性。根据车载模型行驶的自然流场的特点,相似模 型前的垂直面内上下风速有差别,测试点沿径向分 布与水平面成 45°角(见图 2所示 。皮托管测点 位置采用对数线性分布规律沿 45°角方向布 6个 点,从右上 A 点至左下分为 1点, 2点, 3点, 4点, 5点, 6点。 1点和 6点, 2点和 5点以及 3点和 4点是关于中心对称的,测试点依次距

11、管壁 A 点距离 如表 1所示。表 1 径 向 测 试 点 距 圆 管 内 壁 A 点 的 距 离 图 2 200W相 似 模 型 实 验 测 试 点 分 布Fig.2 Test point distribution of 200W resembled model(c 自 然 风 场 风 速 14m/s图 3 200W相 似 模 型 压 力 系 数 沿 轴 向 分 布Fig.3 Pressure coefficient distribution in axial spacingof the 200W resembled model0 0100 200 300 400 500600 700 80

12、0 900轴 向 距 离 /mm压 力 系 数总 压 系 数 tp C 静 压 系 数 sp C 动 压 系 数 vp C (a 自 然 风 场 风 速 10m/s100 200 300400 500600700 800900轴 向 距 离 /mm压 力 系 数(b 自 然 风 场 风 速 12m/s100 200 300 400 500 600 700800900轴 向 距 离 /mm压 力 系 数收 缩 管 和 扩 散 管 径 向 测 试 点 布 点 与 中 央 圆 筒 相同。相似模型沿轴向分 8个测试断面,距收缩管 入口的距离见表 2所示。表 2 各 断 面 距 收 缩 管 入 口 的

13、距 离Tab.2 Distance between the test section 相似模型测试点分布如图 3所示。3.3 实验结果与分析在自然风场风速分别为 10m/s, 12m/s和 14m/s(雷诺数 Re 分别为 1.02×106, 1.23×106和 1.43× 106时,相似模型中央流路各断面平均总压系数、 静压系数和动压系数沿轴向分布(如图 3(a, (b, (c所示 ,在 3种风速下压力系数分布趋势相同。 自然风场风速测点在相似模型前 800mm 处。由图 3可 知 , 气 流 流 至 模 型 内 叶 轮 安 装 处 的 动 压 系 数 为 1.

14、73, 风 能 增 至 相 同 面 积 的 前 方 来 流 风 能 的 2.27倍;经收缩管增速后,断面面积与中央圆筒相等的 最高平均动压系数达到 1.80, 能量增至相同面积前 方来流风能的 2.42倍,出现在距模型入口 565mm 处,说明中央圆筒轴向距离较短。中央圆筒 3个断 面 的 能 量 分 别 增 至 相 同 面 积 的 前 方 来 流 风 能 的 2.49倍、 2.27倍和 2.20倍。流体总压看作是能量可利用的度量,它表征着 流体做功能力的大小。总压降低表明了流体做功能 力减小。在 3种风速下,收缩管入口总压系数和静 压系数平均值分别为 1.92和 1.15,说明在模型前 的自

15、然流场形成了高压。在中央圆筒后半部和扩散 管内动压系数趋于水平, 表明此装置段流场较稳定。总压恢复系数 表示总压下降程度。 值越小, 摩擦等损失越大。 3种风速下总压恢复系数平均值 分别是:收缩管为 0.90,中央圆筒为 0.80,扩散管 为 0.95。 由于收缩管和扩散管的测试点分布于较中 心位置,收缩管入口断面和扩散管出口断面总压测 试值较高。在自然风场风速为 10m/s, 12m/s和 14m/s条 件下,中央圆筒的断面 3, 4和 5(如图 2所示所 获得能量与相似模型整体迎风面能量比较如表 3所 示。 所获得能量由式 (4进行计算。 断面 4是叶轮安装断面。从表 3可知,在 3种风速

16、下,中央圆筒的 3个断面的能量与相似模型整体迎风面能量比平均 值分别为 0.69, 0.64和 0.62;同时说明,来流沿 轴向有损失。4 结论1 在自然风场风速为 10m/s, 12m/s和 14m/s时,相似模型中央圆筒的 3个断面的能量增至相同 面积来流风能的 2.49倍、 2.27倍和 2.20倍;与相 似模型整体迎风面的能量之比平均值分别为 0.69, 0.64和 0.62。2 在自然风场风速为 10m/s, 12m/s和 14m/s时,经收缩管增速后,断面面积与中央圆筒相等的 最高平均动压系数达到 1.80, 能量增至相同面积前 方 来 流 风 能 的 2.42倍 , 且 出 现

17、在 距 模 型 入 口 的 565mm 处。3 为 了 进 一 步 提 高 浓 缩 风 能 效 果 , 需 要 对 收缩管与扩散管的结构尺寸和形状进行优化。4 需 要 对 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 的 技 术 经 济性进行系统研究。表 3 中 央 圆 筒 各 断 面 所 获 得 能 量 分 析Tab.3 Energy analysis in different sections of the center cylinder101214参考文献:1 田 德 , 王 海 宽 , 韩 巧 丽 . 浓 缩 风 能 型 风 力 发 电 机 的 研 究 与 进 展 J.农 业 工 程 学 报

18、 ,2003,19(增 刊 : 177-181.2 Tian D., Huang S., Diao M., et al. A Wind Tu- nnel Test on the Entirety Model of Concentra- ted Wind Energy Turbine (Report No.2 A test for Hydro-dynamic PerformanceC/Procee- dings of International Agricultural Mecha- nization Conference. Beijing: Chinese so- ciety for agri

19、cultural machinery and Chinese Academy of agricultural mechanization scien- ces, 1995. No.088.Energy Conversion Characteristic Test on the Resembled Model with 200W Concentrated Wind Energy TurbineHAN Qiao-li, TIAN De, GAI Xiao-ling, XU Li-na, WANG Li-jun(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China Abstract : The Concentrated Wind Energy Turbine heightens the quality of the wind energy and improves the instability of the wind energy. Its energy conversion has special charac

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论