风能利用技术-chapt3

第三章水平轴风力机的气动设计叶片数、风轮直径、转速和翼型的确定叶素弦长与安装角（简化叶素动量理论）（葛劳渥旋涡理论）GHBladed软件中的计算理论算例3.1叶片数的确定高速风轮（l=5~8）具有较高的功率系数，宜选用叶片数为3的风轮。低速风轮（l=1~2）具有较高的转距输出，宜选用多叶片风轮。（图3-2）3.1叶片数的确定Z=3：叶片数不多，动平衡简单，质量分布匀称，运转时不易造成对塔架的偏向力。Z=2：结构成本小，可以适宜更高叶尖速比。质量在水平和垂直方向上的分布受运转的影响，运转时易造成对塔架的偏向力。3.1直径和转速的确定已知来流速度U，最大设计输出功率Pu，选定叶尖速比l，功率系数Cp，则风轮直径可以按下式求出：选定了叶尖速比l和风轮直径D，风轮转速可以按下式求出：3.1翼型的确定翼型升阻比e与雷诺数的关系：（图3-4）高速旋转的翼型（薄、弯曲实度较小）低速旋转的翼型（一般不用叶型设计）尾流旋转模型1、在轴流模型中，气流都是平行于轴线方向流动，叶轮（圆盘）两侧的气流压强跳跃，提供给叶轮一个推力，该推力引起气流在轴线方向上动量的变化，从而使得气流动能产生损失，该部分损失的动能转化为了叶轮的动能。2、实际上，转矩或者扭矩才是推动叶轮转动的真正外力，这部分力反过来要作用于气体之上，这就使得流过叶轮的气流旋转，方向与叶轮反向。因此真实的尾迹流动是具有旋转的，这就是尾流的旋转模型。简化叶素动量理论1、轴流圆盘模型（贝兹极限）2、尾流旋转模型3、叶素理论4、叶尖和轮毂的损耗Hub3.2叶素弦长与安装角简化叶素动量理论Thebladeelement–momentum(BEM)theory已知叶轮半径r处dr长度的叶素，旋转角速度W，叶素的圆周速度u=Wr，通过风轮的气流绝对速度为v，相对速度w。wq受力分析qTRdRlARl，Rd为w坐标系下的升力与阻力；A，T为x,y坐标系下的升力（切向力）与阻力。在x,y坐标系下，A提供给风轮旋转的动力，而T提供给整个叶轮沿来流方向的阻力。按照第二章的理论，切向力和阻力分别可以表示为：（1）（2）轴向动量的变化气体轴向速度从风轮前的v1到风轮后的v2，轴向动量的减少等于风轮受到的阻力dT，因此：由于贝兹理论，风轮后气体轴向速度v2=v1/3时，风轮效率最高，因此有：（3）（4）阻力T与轴向动量变化相等方程（1）与（4）相等因此弦长c可以表示出来：弦长c的确定一般选用升阻比很大的翼型，Cd/Cl<<0.02安装角的确定选定翼型后，先通过Cl-Cd曲线确定最佳冲角a，因为cotq=u/v=u/(2/3v1)，q=a+b，所以叶素的安装角可以确定：wqab实际使用的叶片形状与冲角图3-9梯形叶片（性能接近最佳形状）在叶尖附近（r>0.8R）选用最佳冲角，沿着叶片向轮毂方向，冲角逐渐增大，可以使轮毂附近的弦长缩短，便于制造和安装。r=0.2R处的最大冲角选取为10~12度。翼尖涡、轮毂涡的影响GHBladed商业软件切向速度影响因子a’atangentialflowinductionfactora’假设在叶轮半高度处，气流切向速度为Ωra’，在叶轮入口的平面上，气流切向速度0，气流垂直速度U(1-a)。显然，叶轮出口处的切向速度可以写为2Ωra’。旋转气流产生的扭矩、扭矩=质量流量X周向速度的改变X半径Torque=rateofchangeofangularmomentum=massflowrateXchangeoftangentialvelocityXradiusBladeelementtheory

αistheaxialflowinductionfactorα’

isthetangentialflowinductionfactor

βpitchangleΩrα΄tangentialvelocityofthewakeResultantrelativevelocityatthebladeAngleofattackLiftanddragforceonaspan-wiselengthδr

Thebladeelement–momentum(BEM)theoryAerodynamicforceintheaxialdirectionRateofchangeofaxialmomentumAssumption:theforceofabladeelementissolelyresponsibleforthechangeofMomentumoftheairwhichpassesthroughtheannulussweptbytheelementAxialforceduetowakerotationAAxialrotortorqueRateofchangeofangularmomentumEquatingthetwomomentsSimplifyingμ=r/RSolving3.48and3.50aChordsolidityThebladeisdividedinNelements.Foreachelement,theaxialflowinductionfactora,thetangentialinductionfactora΄andtheangleofincidenceαareunknownineachxposition.HubForeachoftheaboveelementstheiterationrequiresthefollowingsteps.Step1:Arbitraryinitializationofaanda΄.Choosevalues;alwaysa/a΄=10/1(i.e.a=0.1anda΄=0.01)Step2:Calculationoftheφangle

α=φ-βCL,CDfromNACAtablesforthegivenairfoilStep3:Calculatenewvaluesforaanda΄fromequations1and2.Repeattheabovestepsuntilthevaluesofaanda΄converge.Withtheabovecomputeda,a΄andαthelocalpowerCP,thrustCTandtorqueCQcoefficientsofeachelementarecalculatedwiththefollowingequations.ThetotalpowerCPtotal,thrustCTtotalandtorqueCQtotalcoefficientsforthebladearecalculatedthroughthefollowingequations:ThetotalPower,Thrust