基于流模型的旋风力机上游风轮设计

基于流模型的旋风力机上游风轮设计

0速度三角形设计法高效利用能源效率是世界能源发展和环境保护的重要举措。对旋风力机能提高风能利用率和风场空间利用率,降低发电成本,可显著降低塔架扭矩和弯曲应力,保证风力机稳定运行,在提高装置效率和紧凑性上有极大的潜力,近10年成为风力机发展的一个重要方向。目前,其研究以实验、理论预测和数值模拟为主。两级叶片气动设计方法尚不成熟,尤其是下游风轮处于上游风轮的近尾流区,来流具有三维非定常特征,缺乏相应的设计方法。速度三角形设计法虽被参考文献采用,但不适用下游风轮,因为风力机处于外流状态,流管扩张,级间距大,实度小,尾流与外流混合,流动不满足质量守恒应用于叶栅单元的假设条件。在此,将风力机非定常尾流简化为二维准定常流动,提取尾流模型下游风轮前平均轴向速度,采用Wilson设计法设计同半径、同尖速比和间距为半径的对旋风力机,通过数值模拟验证性能并研究两级转速之间的最佳匹配。1u3000安装角与弦长分布Wilson设计法考虑轴向和切向速度的诱导因子(a,b),研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性能的影响,以及风轮在非设计工况下的性能。以每个叶素截面的风能利用系数最大为目标,约束条件为a,b,可得能量方程:s.t.a(1-aF)=b(1+b)λ2(2)周速比λ=Ωr/V∞(λR为叶尖速比),叶尖损失系数采用Matlab编程方法,使此问题转变为有约束的最值问题,以式(2)为约束条件,式(1)为目标函数,使用fmincon函数直接进行计算,迭代得到收敛的诱导因子a和b,计算出F,最终获得安装角θ=ue788-α(式3)和弦长c分布(式4)。先用Wilson法完成上游风轮设计,应用AV(aerou3000viroment)模型,获得下游风轮所在位置的平均流速V∞2,再应用Wilson法完成下游风轮气动设计。这种近似方法假设下游风轮对上游风轮气动特性和尾流均无影响,对旋风力机的流动近似为串列两级的一维准定常。采用此法设计同半径、同尖速比(λ1=λ2=6)间距为R的对旋风力机,来流风速V=11.3m/s,半径R=1.438u300055m,翼型为NACA4412,叶片数均为3,可得上游风轮转速n1=450r/min。将叶片沿展向均匀取10个截面,取各截面攻角α均为5°,计算获得各截面安装角与弦长分布如图1所示。利用AV尾流模型得到下游轴向位置x=R截面,r<R区域平均轴向速度为6.846m/s,根据λ2=n2×R/V2获得下游风轮转速n2=270r/min。由式(1)和式(2),在同尖速比条件下,得到的a,b,F相同,因此,上下游风轮安装角、弦长相同(下游风轮反装)。2u3000对旋转轴的三维价值进行了验证2.1u3000数值试验为了验证设计的准确性和探索最佳转速匹配,选用动量叶素理论和CFD模拟,对上游风轮不同转速下功率系数进行对比。理论方法是已知气动外形,通过动量叶素理论和Glauert涡环修正迭代求解诱导因子的风力机气动性能预估程序,CFD方法采用FLUENT软件单独对上游风轮进行三维定常流动模拟。CFD模型选用1/3圆柱模拟单叶片风轮,分为内域和外域,内、外域前、后端距风轮3R,7R,半径为5R,内域为包含叶片的1/3薄圆柱,设置为运动参考系(MRF),内、外域网格数为1u3000336u3000827,555u3000030。边界条件选用周期性边界、速度入口、压力出口和壁面边界。湍流模型选用标准k-epsilon模型。湍动能设为1m2/s2,湍流耗散率为1m2/s3。CFD方法与理论方法结果对比如图2所示。由图2可知,FLUENT数值模拟结果在450r/min处得到峰值,功率为2u3000616W,Cp=0.455,与设计点重合,表明上游风轮设计成功;理论方法则在500r/min处取得峰值(功率3u3000232W,Cp=0.563),基本能捕捉功率最高点。由于理论方法中近似将阻力系数处理为0,且除叶片损失系数外不考虑三维流动,所以导致结果有偏差。对于精度要求不高的性能估算,利用该理论方法快速有效。2种方法显示功率随转速变化趋势基本一致。2.2u3000功率变化当上游风轮转速确定为450r/min后,采用CFD方法,验证下游风轮特性和最佳转速,研究下游风轮对上游的影响。计算域及模型如图3所示,内域网格数ROTOR1为455u3000452,ROTOR2为455u3000634,外域为586u3000264。边界条件、湍流模型和运动参考系设置同2.1节。功率系数均以上游风轮前风速V∞为基准,风速不变,下游风轮转速变化引起功率变化,计算结果如图4所示。由图4可知,下游风轮转速从50r/min增加到300r/min,其功率从0增加到最大值576W,而上游风轮功率从2u3000475W缓慢降低到2u3000304W,下降幅度小(6.9%),说明下风轮的气流遮挡造成上风轮功率减少不明显,与参考文献的实验结果相吻合。当下风轮转速再增加时,其功率显著下降甚至到负功,这是因为在实际情况下,风轮的转速受到风速控制,V∞2能量小不足以推动下游风轮高转速运转,若人为维持高转速需额外的能量输入,因此,下游风轮功率峰值之后的模拟状态点已无实际意义。对旋风力机数值模拟结果为:a.在设计点(下风轮转速270r/min)总功率(系数)最大为288u30001W(0.501),此时上下风轮功率(系数)分别为233u30008W(0.407)和543W(0.094),下风轮功率约为上风轮的23.1%。b.对比单级上风轮最大功率系数0.455,对旋风力机最大功率系数0.501u30004,提高了10.11%。c.上风轮加装下风轮后功率系数从0.455下降到0.407,降低10.5%,主要原因是下风轮气流遮挡作用。3最大功率系数验证结合Wilson设计方法,利用风力机尾流提出了对旋风力机的气动设计思路。通过理论方法和CFD方法,验证此法有较高的准确性,体现在:a.理论方法和CFD方法获得的最大功率系数均在设计点附近,两者走势基本相同,对最大功率点捕捉准确,理论方法程序设计有效。b.总功率系数在设计点达