旋风力机功率谱的多工况分析

旋风力机功率谱的多工况分析

1对旋技术的应用随着生态环境和能源需求的需求，风速越来越受到重视。资料分析表明目前水平轴风力机已经占据了风电机械市场97%以上的份额，然而传统的风力机都为单风轮结构，依据贝氏理论，单排风轮从自然界获得的能量理论上为59.3%，而目前大多数风机只能提取风功率的40%或着更少，其余部分则转化为尾流中的旋转动能，并且这种非定常流动，对风轮、塔架的稳定运行造成不可避免的影响，如果能对这部分能量加以控制，并进行二次吸收利用，将会极大提高风能利用率，并有效的保证了风力机的稳定运行。对旋技术是叶轮机械的高新技术之一，对提高叶轮机械性能有极大潜力，在航空领域一直是研究的热点领域，如对转涡轮、对转浆扇、对转压气机等。在民用领域，对旋风机也逐渐显示其优越的性能。如果能将对旋技术应用于风力机设备，可在设备可靠性、能量利用效率等方面取得极大的收益：（1）安装于塔架两端的对旋风轮所受轴向力方向相反，并且风轮所受重力位于塔架两端，大大降低了塔架的侧向力负载，降低了塔架的建设费用；（2）支撑两个对转转子的中介轴承在转轴对转时内外套转向相反，可以降低了滚珠架与外套的相对转速，从而减轻轴承磨损，提高轴承寿命；（3）转轴对转还使得传到塔架的合力矩大幅降低，可以大大提风力机的可靠性；（4）前后两排对转风轮将使得切割磁力线速度大幅增加，这无疑降低了增速器的负荷，提高其寿命。目前对旋风力机研究正处在一个刚刚起步的阶段，国内还没有这方面的文献供参考。正是在这种大背景下，以本实验室双转子对旋风力机为研究对象，运用数值模拟的方法，通过对其性能数据和流场的分析，获得有用信息，对了解以及优化该风力机提供依据。2数值计算及边界条件研究对象是实验室300W双转子对旋风力机，其设计参数为：每排叶片数为3,R1转速为-400r/min,R2转速为400r/min(R1、R2分别指上游转子和下游转子，从进口向下游看，R1为逆时针旋转，R2为顺时针旋转）；轮毂为等内径设计，半径为75mm，两排叶轮半径为575mm，计算对象的三维几何，如图1所示。数值计算采用NUMECA软件包，应用有限体积法求解圆柱坐标系下三维定常Navier-Stokes方程组。空间离散采用中心差分格式，时间项采用4阶Runge-Kutta方法迭代求解，CFL数取3.0，紊流模型采用Spalart-Allmaras模型，同时采用隐式残差光顺方法以及多重网格技术以加速收敛过程。边界条件进行如下设定，即进口给定总压（101300.0Pa）、总温（293K）以及进口速度（轴向进气），出口给定静压，各个工况进口边界条件和转速有所不同。计算网格使用NUMECA软件包中的AUTO-GRID模块，自动生成H-I型网格，网格总数约为50万。3绩效评估与培训3.1速度对功率特性的影响共计算了8个转速，7种来流风速共56个工况对旋风力机的具体性能。双转子对旋风力机多工况下的功率图，如图2所示。每条线代表同一转速不同来流风速时风力机的功率值，虚线方框所示为风力机的工作区域。图中每条等转速线的斜率均为正，表明随着来流风速的增大，风力机产生的功率是增加的。这是因为来流中的能量呈速度的三次方增加，即使风力机的风能利用系数有所降低，综合下来风力机所提取的功率仍然有所增加。不过每条等转速线的斜率有较大差异。450r/min等转速线的斜率趋近于1，而50rpm等转速线的斜率几乎为0。高低两种转速（u>u′），如图3所示。来流速度逐渐增大（）情况下速度三角形示意，其中是叶片的安装角。对比高低两种转速的速度三角形发现，在较高转速时候，随着来流风速的增大，叶片有较多的时间是工作在负攻角的工况，而低转速下叶片只有当风速较小时候才工作在负攻角下。由于负攻角严重影响翼型的性能，导致风力机产生的功率较小甚至为负。随着来流风速增大，翼型的攻角趋于合理，风力机的性能逐渐改善。基于以上分析，高等转速线功率的变化率要大于低等转速线。R1和R2多工况下的扭矩图，如图4、图5所示。R1速度为负，扭矩为负时风力机做正功，R2速度为正，扭矩为正时风力机做正功。对比图4与图5，在工作区域内，R1的扭矩（绝对值）略小于R2，导致R2产生的功率略大于R1。取风力机工作区域里典型的两点：400r/min,10m/s和100r/min,5m/s。分析这两点叶片的进口气流角。如图6、图7所示（R1,R2安装角方向相反，所以两者气流角有正负之分，为方便比较对R2的气流角取反；n400v10表示转速为400r/min来流风速为10m/s，其余表示类似）。不论是高转速还是低转速，R2进口的气流角均小于R1，这种差距在50%叶高以下比较明显，且越靠近叶根差距越大。气流角越小意味着叶片的攻角越大，所以R2整个叶片的攻角略大于R1。此外，由于前后排转子反向旋转，R2对R1尾迹的反向切割作用，使得上游尾迹的流动朝着下游转子的转动方向有一定漂移，这也导致下游转子来流攻角进一步增大。分析翼型特性，R2的气流角并未大到使叶片吸力面分离的程度，相反，在这种气流角下，R2翼型的升阻比略大于R1，从而R2产生的功率大于R1。3.2比较合理的攻角良好的叶片设计要求翼型工作在一定的攻角范围内，此时翼型的性能最佳，过大或者过小的攻角将使翼型的性能有所损失。选取400r/min,100r/min两条等转速线上来流10m/s和5m/s两种工况下R150%叶高处的相对速度矢量图分析，如图8～图11所示，该对旋风力机设计工况下R1的相对来流示意图，如图8所示。图中翼型攻角大约为3°，吸压力面均未形成分离，整个流场均匀稳定，R1的气动流态非常理想。如图9中来流风速减小至5m/s的时候，速度三角形发生变化，导致叶片工作的较大的负攻角下，翼型的压力面形成了比较大的分离涡，翼型性能急剧下降。此时风力机产生负功即风力机对风做功。如图10中转速相对图8所示工况较低，但是来流风速一样，此时翼型工作在较大的正攻角下，在吸力面有很大范围的分离涡形成，翼型的性能非常低。随着风速的逐渐减小，翼型的攻角也逐渐减小，如图11所示。然而此时翼型的吸力面仍然形成了分离涡，不过远小于图10所示。此时叶片产生的功率虽然比较小，但仍然要高于其他转速在5m/s时候的功率。此外，n100v5的工况下，风力机产生的扭矩大于电机的阻力矩（约为1N·m），从而可以保证风力机在较低转速、低风速顺利的起动。对旋风力机工作区域里的点效率都是比较高的，在这些点上，翼型工作在比较合理的攻角以内，性能得以保证。工作区域以外的点，由于速度三角形与翼型不匹配，翼型偏离合理攻角范围，这些点不仅对风力机的气动性能有较大的影响，同时会造成结构上的额外的负担。4来流风速对风力机性能的影响对双转子对旋风力机进行了56个工况的详细数值计算模拟，得到了这些工况下的风力机性能数据。通过对多工况风力机性能分析以及典型工况S1面的流谱分析，这里认为：(1）等转速的时候，随着来流风速的增加，风力机产生的功率增加。(2）不同的功率等转速线斜率差距较大。高等转速线比低等转速线的斜率大，