風能利用技術(shù)-chapt3

第三章水平軸風力機的氣動設(shè)計葉片數(shù)、風輪直徑、轉(zhuǎn)速和翼型的確定葉素弦長與安裝角（簡化葉素動量理論）（葛勞渥旋渦理論）GHBladed軟件中的計算理論算例3.1葉片數(shù)的確定高速風輪（l=5~8）具有較高的功率系數(shù)，宜選用葉片數(shù)為3的風輪。低速風輪（l=1~2）具有較高的轉(zhuǎn)距輸出，宜選用多葉片風輪。（圖3-2）3.1葉片數(shù)的確定Z=3：葉片數(shù)不多，動平衡簡單，質(zhì)量分布勻稱，運轉(zhuǎn)時不易造成對塔架的偏向力。Z=2：結(jié)構(gòu)成本小，可以適宜更高葉尖速比。質(zhì)量在水平和垂直方向上的分布受運轉(zhuǎn)的影響，運轉(zhuǎn)時易造成對塔架的偏向力。3.1直徑和轉(zhuǎn)速的確定已知來流速度U，最大設(shè)計輸出功率Pu，選定葉尖速比l，功率系數(shù)Cp，則風輪直徑可以按下式求出：選定了葉尖速比l和風輪直徑D，風輪轉(zhuǎn)速可以按下式求出：3.1翼型的確定翼型升阻比e與雷諾數(shù)的關(guān)系：（圖3-4）高速旋轉(zhuǎn)的翼型（薄、彎曲實度較?。┑退傩D(zhuǎn)的翼型（一般不用葉型設(shè)計）尾流旋轉(zhuǎn)模型1、在軸流模型中，氣流都是平行于軸線方向流動，葉輪（圓盤）兩側(cè)的氣流壓強跳躍，提供給葉輪一個推力，該推力引起氣流在軸線方向上動量的變化，從而使得氣流動能產(chǎn)生損失，該部分損失的動能轉(zhuǎn)化為了葉輪的動能。2、實際上，轉(zhuǎn)矩或者扭矩才是推動葉輪轉(zhuǎn)動的真正外力，這部分力反過來要作用于氣體之上，這就使得流過葉輪的氣流旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪反向。因此真實的尾跡流動是具有旋轉(zhuǎn)的，這就是尾流的旋轉(zhuǎn)模型。簡化葉素動量理論1、軸流圓盤模型（貝茲極限）2、尾流旋轉(zhuǎn)模型3、葉素理論4、葉尖和輪轂的損耗Hub3.2葉素弦長與安裝角簡化葉素動量理論Thebladeelement–momentum(BEM)theory已知葉輪半徑r處dr長度的葉素，旋轉(zhuǎn)角速度W，葉素的圓周速度u=Wr，通過風輪的氣流絕對速度為v，相對速度w。wq受力分析qTRdRlARl，Rd為w坐標系下的升力與阻力；A，T為x,y坐標系下的升力（切向力）與阻力。在x,y坐標系下，A提供給風輪旋轉(zhuǎn)的動力，而T提供給整個葉輪沿來流方向的阻力。按照第二章的理論，切向力和阻力分別可以表示為：（1）（2）軸向動量的變化氣體軸向速度從風輪前的v1到風輪后的v2，軸向動量的減少等于風輪受到的阻力dT，因此：由于貝茲理論，風輪后氣體軸向速度v2=v1/3時，風輪效率最高，因此有：（3）（4）阻力T與軸向動量變化相等方程（1）與（4）相等因此弦長c可以表示出來：弦長c的確定一般選用升阻比很大的翼型，Cd/Cl<<0.02安裝角的確定選定翼型后，先通過Cl-Cd曲線確定最佳沖角a，因為cotq=u/v=u/(2/3v1)，q=a+b，所以葉素的安裝角可以確定：wqab實際使用的葉片形狀與沖角圖3-9梯形葉片（性能接近最佳形狀）在葉尖附近（r>0.8R）選用最佳沖角，沿著葉片向輪轂方向，沖角逐漸增大，可以使輪轂附近的弦長縮短，便于制造和安裝。r=0.2R處的最大沖角選取為10~12度。翼尖渦、輪轂渦的影響GHBladed商業(yè)軟件切向速度影響因子a’atangentialflowinductionfactora’假設(shè)在葉輪半高度處，氣流切向速度為Ωra’，在葉輪入口的平面上，氣流切向速度0，氣流垂直速度U(1-a)。顯然，葉輪出口處的切向速度可以寫為2Ωra’。旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的扭矩、扭矩=質(zhì)量流量X周向速度的改變X半徑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