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1、风力机气动设计技术刘 雄汕头大学工学院能源研究所风力机气动设计技术刘 雄一、风力机气动分析简介二、气动设计中应注意的几个问题三、控制系统对设计的影响四、风力机动态载荷仿真五、汕头大学开展的相关研究工作一、风力机气动分析简介二、气动设计中应注意的几个问题三、一、风力机气动分析简介1. 基本方法 叶素动量理论 势流理论 基于解N-S方程的全流场分析方法。 目前在计算精度和计算效率上能取得良好折衷的只有叶素动量理论。一、风力机气动分析简介1. 基本方法 目前在计算精度和计算2. 风能转换的动量理论 风能转换的轴动量理论来源于Rankine和Froude等在19世纪后期进行的船用螺旋桨研究的成果。假定
2、空气为无粘性理想流体,并将风轮理想化为一个进行能量转换的均匀圆盘,从质量、动量和能量守恒来研究风能转换的规律。因此,风能转换的轴动量理论被称为圆盘理论或Rankine-Froude理论。圆盘理论合理地描述了风轮周围空气速度场、压力场的变化规律,虽然它不能描述风轮外形参数与风力机气动性能之间的关系,同时也忽略了风轮旋转导致的涡流现象,但它为风力机气动理论奠定了最早的研究基础。2. 风能转换的动量理论动量变化能量变化定义Betz极限动量变化能量变化定义Betz极限3. 翼型理论影响气动系数的其它主要因素有:雷诺数、厚度、弯度、表面光滑度、前缘曲率、粗糙灵敏度、后缘厚度等3. 翼型理论影响气动系数的
3、其它主要因素有:雷诺数、厚度、弯4. 水平轴风力机的叶素动量理论叶素动量理论起源于19世纪后期提出的圆盘理论1912年Joukowski提出诱导速度分析的方法1919年Betz提出优化极限1919年Prandtl提出叶尖损失修正模型1922年Glauert提出优化理论和模型修正1974年Wilson对叶素动量理论应用于现代风力机进行了系统的理论描述,形成了较完整的风力机叶素动量理论体系。叶素动量理论也被称为片条理论(Strip Theory)。4. 水平轴风力机的叶素动量理论叶素动量理论的主要假定:(1) 通过风轮扫掠面的流动可以划分为大量的同心的环形单元,这些单元被假定是彼独立的,没有径向的
4、相互作用。(2) 风速在各环形单元上均匀分布,叶片对环形单元流动的作用力是不变的,就像有无数多均匀分布的叶片一样。在非均匀风场中,每个环形单元也被分成许多小段,这些小段也被假定为互不影响。(3) 沿径向的流动分量可以忽略,因此,二维翼型理论的气动数据可以被采用。叶素动量理论的主要假定:对dr宽圆环根据动量和角动量守恒:对dr宽圆环根据动量和角动量守恒:定义:采用迭代法求解上述黄色框定义的方程后,即可计算叶片单位长度上的气动力载荷:定义:采用迭代法求解上述黄色框定义的方程后,即可计算叶片单位5. Glauert优化理论极值条件由于诱导速度垂直于相对速度5. Glauert优化理论极值条件由于诱导
5、速度垂直于相对xaaCPCL0.25 0.280 1.364 50.6 0.176 1.4634 0.50 0.298 0.543 42.3 0.289 1.0398 0.75 0.310 0.294 35.4 0.364 0.7398 1.00 0.317 0.183 30.0 0.416 0.5359 1.25 0.322 0.124 25.8 0.451 0.3997 1.50 0.324 0.089 22.5 0.477 0.3039 1.75 0.326 0.067 19.8 0.496 0.2359 2.00 0.328 0.052 17.7 0.511 0.1894 2.50 0
6、.330 0.034 14.5 0.532 0.1276 3.00 0.331 0.024 12.3 0.545 0.0919 3.50 0.331 0.018 10.6 0.555 0.0681 4.00 0.332 0.014 9.4 0.562 0.0538 4.50 0.332 0.011 8.4 0.566 0.0429 5.00 0.332 0.009 7.5 0.570 0.0342 5.50 0.332 0.007 6.9 0.573 0.0289 6.00 0.333 0.006 6.3 0.576 0.0242 7.00 0.333 0.004 5.4 0.580 0.01
7、78 8.00 0.333 0.004 4.8 0.582 0.0140 9.00 0.333 0.003 4.2 0.584 0.0107 10.00 0.333 0.002 3.8 0.585 0.0088 xaaCPCL6. 叶素动量理论模型的修正上面建立的叶素动量理论的基本体系虽然从理论上完整描述了水平轴风力机气动分析和气动设计的原理和方法,但实际风力机一般不能满足叶素动量理论的三个基本假定,必须对理论模型进行针对性的改进。对基本模型进行了修正后的叶素动量理论也被称为改进的片条理论,是现代风力机气动分析中广泛采用的方法。叶尖损失修正湍流尾涡修正叶栅效应修正风轮几何参数6. 叶素动量理论
8、模型的修正7. 叶片气动外形设计7. 叶片气动外形设计风力机气动设计技术课件风力机气动设计技术课件1. 风场湍流模型可以正确反映湍流时空结构的风场湍流模型和分析方法;湍流风场对风力机疲劳载荷和极端载荷分析的作用和影响;超大风速、强湍流度下的风力机非定常随机过程的分析方法;有限长度湍流风样本对载荷结果的影响。二、气动设计中应注意的几个问题1. 风场湍流模型二、气动设计中应注意的几个问题风力机气动设计技术课件早期风力机设计假定稳态风速,并对风场剪切效应和塔影效应进行模拟。简化模型虽然可以较好地计算风力机周期性载荷,但无法计算由风场湍流引起的随机载荷;湍流风场建模目前主要基于von Karman模型
9、或Kaimal模型生成3维湍流风场用于载荷计算的风况输入。处于湍流风场中的叶轮早期风力机设计假定稳态风速,并对风场剪切效应和塔影效应进行模风力机轮毂处湍流风速脉动的时域过程由于湍流风速变化可以达到稳态风速的量级,研究可以正确反映湍流时空结构的风场湍流模型对风力机疲劳载荷和极端载荷的确定具有重要意义。风力机轮毂处湍流风速脉动的时域过程由于湍流风速变化可以达到稳 湍流风场算例轮毂中心高68m,风轮直径65m,平均风速12m/s的计算结果轮毂中心处的纵向风速Z0=0.03mZ0=0.2m高度(m)平均风速(m/s)标准差(m/s)湍流强度(%)高度(m)平均风速(m/s)标准差(m/s)湍流强度(%
10、)100.5012.71.4711.6100.512.62.1116.784.2512.41.5112.284.2512.42.1317.268.0012.01.5412.868.0012. 02.1618.151.7511.61.5613.451.7511.62.1918.835.5010.91.5814.535.5011.02.2320.3统计结果 湍流风场算例轮毂中心高68m,风轮直径65m,平均风速12. 动态空气动力学 动态的工作环境,使得准稳态的叶素动量理论不再适用。 风湍流 风轮的三维旋转效应 机组的偏航、变转速、变桨运动 大型机组柔性叶片和塔架的变形和振动 气动与结构相互影响流
11、固耦合2. 动态空气动力学研究湍流风场作用下动态过程分析采用的动态气动模型;确定动态气动模型在叶素动量理论体系中的应用方法;分析动态入流模型对速度诱导因子变化率的作用;研究用动态失速模型修正攻角时变下的翼型气动参数的方法;考虑动态失速时计算气动阻尼的分析方法。得到应用动态气动模型分析风力机动态过程的方法和工具,解决气动弹性分析问题。研究内容研究湍流风场作用下动态过程分析采用的动态气动模型;研究内容 动态入流(动态尾流)快速变桨时机组的功率输出实测值与BEM计算结果的对比 动态入流(动态尾流)快速变桨时机组的功率输出实测值与BE采用加速势流理论对BEM模型进行修正后的结果快速变桨距时轴向诱导速度
12、和切向诱导速度的计算结果快速变桨距时叶片根部弯矩和气动转矩的计算结果采用加速势流理论对BEM模型进行修正后的结果快速变桨距时轴向 动态失速动态失速现象 动态失速是指当翼型经历周期性的或非定常的运动时,发生失速延迟的复杂现象:当一个翼型振荡或者俯仰经过静态失速攻角时,失速发生时的攻角远远超过静态失速攻角,气动力系数也极大地偏离稳态值;当失速真正发生时,失速的程度远较静态失速剧烈;对于振荡的翼型,失速一直保持到比静态失速更小的攻角。 动态失速动态失速现象 动态失速是指当翼型经动态失速的经验模型:ONERA模型,ye模型,Beddoes-Leishman模型等。采用B-L模型对NACA 63-418
13、翼型在动态失速时的升阻力系数计算结果动态失速的经验模型:ONERA模型,ye模型,BeddoeFFA-W3-241翼型的动态失速特性计算结果与实验值的对比实验数据来自丹麦Ris国家实验室在VELUX风洞进行的翼型风洞试验FFA-W3-241翼型的动态失速特性计算结果与实验值的对比某1.5MW风力机在12m/s湍流风下升阻力系数计算结果某1.5MW风力机在12m/s湍流风下升阻力系数计算结果3. 气动阻尼 气动阻尼是由叶片截面翼型的固有气动特性引起的,其大小在很大程度上依赖于翼型升、阻力系数随攻角变化曲线的斜率。 非失速条件下,为正气动阻尼;但失速工况下,升力系数随攻角上升而下降,即升力系数曲线
14、斜率为负,此时气动阻尼减小,甚至下降为负气动阻尼。当负气动阻尼为振动提供的能量大于结构阻尼可以吸收的能量时,就会发生由失速引起的振动,造成叶片损坏。 但在动态工况下,由于动态失速效应的影响,翼型的升、阻力系数随攻角变化的幅度和趋势不可预知,因此需要在时域过程中每个时间点实时计算。3. 气动阻尼 气动阻尼是由叶片截面翼型的固振动叶片速度图解某1MW风力机在12m/s湍流风下叶片气动模态阻尼比的计算结果振动叶片速度图解某1MW风力机在12m/s湍流风下叶片气动模气动阻尼对叶片结构响应的影响气动阻尼对叶片结构响应的影响风力机动态气动过程分析需考虑的影响因素风力机动态气动过程分析需考虑的影响因素风力机
15、多体动力学模拟的有限元建模风力机多体动力学模拟的有限元建模4. 风力机专用翼型的气动性能发展翼型气动数据测试技术,得到任意形状翼型的气动实测数据;建立能适应大攻角的粘性流体N-S方程翼型分析计算模型;研究翼型多目标优化设计方法,设计适用于风力机全工况的新翼型系列并计算其气动性能数据。4. 风力机专用翼型的气动性能5. 叶片气动优化设计建立能满足风力机叶片气动、结构和稳定性要求的多目标优化方法;通过对翼型、相对厚度、弦长、扭角等外形参数沿展向的分布特性进行优化计算,得到满足气动最优的设计方法;考虑结构和制造的工艺性要求,在保证气动性能指标的前提下,研究叶片气动外形的修正方法。气动设计的首要目标是
16、保证风轮在严酷的自然风条件下工作20年!5. 叶片气动优化设计气动优化设计气动优化设计大型风力机设计的典型过程大型风力机设计的典型过程三、控制系统对设计的影响定转速、变转速失速控制、变桨距控制、主动失速控制三、控制系统对设计的影响定转速、变转速控制系统设计的重要性不同的控制策略对风力机的载荷有很大的影响;设计时需要折衷考虑不同的因素;设计时需要考虑气动和结构的影响,对控制系统进行优化。发电运行控制目标和折衷额定功率以下实现最大风能转换效率;额定功率以上恒功率运行;避免过多的调速和变桨运动;避免共振;降低载荷(极限、疲劳):避免尖峰载荷,传动链的疲劳载荷,共振时主动加阻 控制系统设计的重要性四、
17、风力机动态载荷仿真1. 载荷仿真的必要性严酷的工作条件和20年的设计寿命;机组运行过程中,自然风、风轮的气动响应和机组的结构响应相互影响;必须获得各部件精确的极限载荷和疲劳载荷,才能得到零部件设计的边界条件。使用全系统动态载荷分析软件,才能精确模拟风力机动态运行过程,获得精确的极限载荷与疲劳载荷。四、风力机动态载荷仿真1. 载荷仿真的必要性兆瓦级风力机的维护成本兆瓦级风力机的维护成本风力机气动设计技术课件2. 全系统载荷分析软件的架构时域风场空气动力学风载荷时间序列结构属性传动系统和控制系统随机或规则波浪流体动力学波浪载荷时间序列结构动力学响应时间序列时序分析极限载荷疲劳载荷2. 全系统载荷分
18、析软件的架构时域风场空气动力学风载荷时间常用的仿真软件GH BladedFLEX5, LACFlexFASTHAWCFOCUS 常用的仿真软件3. 载荷计算的相关标准IEC 61400-1 Wind turbines Part 1: Design requirements;IEC 61400-3 Wind turbines Part 3: Design requirements for offshore wind turbines ;GL: Guideline for the certification of wind turbines;GL: Guideline for the Certif
19、ication of Offshore Wind Turbines3. 载荷计算的相关标准4. 符合IEC设计规范的陆上风力机载荷计算要求仿真的工况4. 符合IEC设计规范的陆上风力机载荷计算要求仿真的工况5. 载荷输出5. 载荷输出汕头大学是广东省 “211工程”重点建设学校。学校的建设一直得到著名爱国人士李嘉诚先生的鼎力资助。经过二十多年的努力,已具有国家重点学科、教育部重点实验室和博士学位授予权。 汕头大学能源研究所成立于1993年,主要从事大型风力机空气动力学、结构动力学的研究;风力机计算机辅助设计及软件开发;风力机建模、仿真及控制研究。有一支稳定的研究队伍。五、汕头大学开展的相关研究
20、工作汕头大学是广东省 “211工程”重点建设学校。学校的建设一直研究所承担的国家级项目1. 国家自然科学基金项目“考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究”, 2011.12. 国家自然科学基金项目“基于柔性多体系统模型的风力机动态气动特性研究”,2008.13. 国家自然科学基金项目“基于动态气动力学的风力机失速特性研究”,2007.14. 国家科技支撑计划子课题“风电机组叶片气动优化设计和结构动力分析”,2006.125. 国家科技支撑计划子课题“近海风电场风力机气动及结构动力分析”,2006.126. 国家科技支撑计划子课题“1.52.5 MW双馈式变速恒频风电机组总体设计技术研究”,2
21、006.127. 国家发改委高技术产业化子项目“1.5MW变速恒频风力发电机组气动与结构设计技术”,2005.108. 国家“863计划”课题“风力机全系统载荷分析及优化设计软件”,2002.89. 国家“863计划”子课题“兆瓦级变速恒频风电机组气动与结构设计技术”,2001.1010. 国家自然科学基金项目“三维紊流风场作用下的风力机动态性能研究”,2001.111. 国家自然科学基金项目“适用于风力机全工况的新系列翼型研究”,2000.112. 国家自然科学基金项目“基于敏感性分析的风力机气动弹性稳定性研究”,1997.113. 国家“九五”攻关子项“风轮气动设计与动力学关键技术研究”,
22、1997.114. 国家“九五”攻关子项“风力机气动与结构设计软件开发”,1996.115. 国家自然科学基金项目“大型风力机桨叶三维粘性流场及气动特性分析”,1996.1近5年完成了20余项广东省项目研究所承担的国家级项目1. 国家自然科学基金项目“考虑叶片柔近5年承担的横向课题1. 江西长能风电科技有限公司“CN1500A风力机载荷计算与分析”,2010.12. 中材科技风电叶片有限公司“1MW风力机叶片气动设计及载荷分析”, 2009.83. 四川东方汽轮机厂“1MW风力机载荷计算与分析”, 2007.124. 广州英格风电设备制造有限公司“YT850A 风力发电机组载荷计算与分析”,2008.35. 沈阳中科天道新能源装备股份有限公司“TE1500 风力发电机组载荷计算与分析”,2008.66. 成都阜特科技有限
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