風(fēng)機(jī)葉輪空氣動(dòng)力學(xué)課件

葉輪空氣動(dòng)力簡(jiǎn)介朱雨2008.02新疆金風(fēng)科技股份有限公司前言風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)（風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能），再通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能（機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能）。因此，風(fēng)機(jī)葉輪效率的高低直接影響了發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能的多寡。本次課程將對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪系統(tǒng)涉及的主要空氣動(dòng)力學(xué)理論和技術(shù)作一簡(jiǎn)單介紹，以供參考。 一、影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù) 二、風(fēng)機(jī)葉片性能分析技術(shù) 三、風(fēng)機(jī)葉片上的流場(chǎng)控制裝置影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)1、葉片數(shù)B

風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最直觀的特征。目前被普遍采用的形式是三葉片。

一葉、二葉、三葉風(fēng)機(jī)示意圖 不同葉片數(shù)、葉尖數(shù)比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系圖影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)由圖可以看出：隨著葉片數(shù)的增加，其效率也在增加，但增加的幅度在逐漸減小。這意味著當(dāng)葉片數(shù)增加到一定程度之后，其效率增加所帶來的好處將無法彌補(bǔ)相對(duì)需增加的制造成本；隨著葉片數(shù)的減少，其最佳葉尖速比在增加。這意味著當(dāng)葉片數(shù)減少，轉(zhuǎn)速需增加以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，但轉(zhuǎn)速增加則意味著噪音問題更加嚴(yán)重（風(fēng)機(jī)噪音與葉尖速度的5次方成正比）。影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)2、葉片外形風(fēng)機(jī)葉輪效率與葉片外形直接相關(guān)。 葉片外形主要包括兩部份：槳距角分布(r)和弦長分布c(r)。影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)理想的槳距角分布將使葉片在設(shè)計(jì)葉尖速比運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其升力與阻力之比達(dá)到最大。為達(dá)此目的，通常槳距角的分布會(huì)沿徑向作變化。最佳槳距角分布可以由當(dāng)?shù)氐娜肓鹘呛妥罴压ソ怯?jì)算得到：與槳距角相關(guān)聯(lián)的另一概念是扭轉(zhuǎn)角。某一徑向位置的扭轉(zhuǎn)角即為其槳距角與基準(zhǔn)徑向位置槳距角之差。影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)弦長分布可以通過理論推導(dǎo)得到代入當(dāng)?shù)刈罴训妮S向誘導(dǎo)因子就可求得最佳弦長分布。與弦長相關(guān)聯(lián)的另一概念是弦周比。某一徑向位置的弦周比即為該位置處總弦長與周長之比。影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)3、翼型 在所有影響風(fēng)機(jī)性能的幾何參數(shù)中，翼型幾何外形是最基本和最重要的。若將葉片沿徑向截成數(shù)段，從其橫截面看，整個(gè)葉片是由一系列不同幾何外形的翼型組成。影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)影響風(fēng)機(jī)性能的重要幾何參數(shù)攻角：相對(duì)氣流與翼型弦線之間的夾角槳距角：旋轉(zhuǎn)平面與翼型弦線之間的夾角入流角：相對(duì)氣流與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角升力：垂直于弦線方向的氣動(dòng)力分量阻力：平行于弦線方向的氣動(dòng)力分量垂向力：垂直于旋轉(zhuǎn)平面的氣動(dòng)力分量切向力：平行于旋轉(zhuǎn)平面的氣動(dòng)力分量作用在翼型上的氣動(dòng)力特性將直接影響整個(gè)葉片的性能。翼型的氣動(dòng)特性雷諾數(shù)的影響 影響低速翼型性能的最重要的流體因素是流體的粘性，它間接產(chǎn)生升力而直接產(chǎn)生阻力，造成流體分離。這種影響用雷諾數(shù)表示。 隨雷諾數(shù)增加，升力曲線斜率增加，最大升力系數(shù)增加，失速臨界攻角增加；最小阻力系數(shù)減??；翼型升阻比也增加 對(duì)于風(fēng)機(jī)翼型，雷諾數(shù)范圍在(10~0.7)×106,這表明風(fēng)機(jī)翼型通常都不運(yùn)行在敏感的低雷諾數(shù)范圍。翼型的氣動(dòng)特性邊界層的影響 翼型的氣動(dòng)特性和翼型表面的邊界層密切相關(guān)。在低雷諾數(shù)下，翼型表面從層流邊界發(fā)展為完全分離和失速；在中雷諾數(shù)下，翼型表面從層流邊界層經(jīng)過分離氣泡，再附著發(fā)展為湍流邊界層；在高雷諾數(shù)下，翼型表面從層流邊界經(jīng)過轉(zhuǎn)捩發(fā)展為湍流邊界層。 不同的邊界層發(fā)展情況對(duì)翼型的氣動(dòng)特性，特別是阻力特性有較大的影響。尤為顯著。翼型的氣動(dòng)特性粗糙度的影響 翼型表面由于材料、加工能力以及環(huán)境的影響，使表面不可能絕對(duì)光滑，而呈凹凸不平。這些凹凸不平的波峰和波谷之間的高度的平均值稱粗糙度。 通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升力系數(shù)降低，阻力系數(shù)增加。其程度與雷諾數(shù)和翼型的幾何外形等相關(guān)。 通常翼型前緣向后到20－30%弦長處的上下表面對(duì)翼型氣動(dòng)特性影響較為明顯。翼型的氣動(dòng)特性湍流度的影響 通常情況下，湍流度增加，翼型的阻力系數(shù)和最大升力系數(shù)增加，最大升阻比減小。攻角的影響 上述氣動(dòng)特性大多在小攻角范圍，在大攻角情況下，其變化要復(fù)雜得多。 風(fēng)機(jī)葉片的工況很寬，不僅涉及小攻角情況，而且涉及失速和大攻角范圍的升、阻特性。由于大功角的氣動(dòng)特性變化復(fù)雜，純理論計(jì)算相當(dāng)困難，因而大多依據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)得到較可靠的結(jié)果。風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)1、風(fēng)機(jī)葉輪性能的表示 風(fēng)機(jī)葉輪的性能通常以風(fēng)能利用系數(shù)表示。風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)2、動(dòng)量理論 風(fēng)機(jī)葉輪吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程可以用動(dòng)量理論來模擬。動(dòng)量理論又稱滑流理論，其起源可以追溯到19世紀(jì)的船用螺旋槳的研究。

動(dòng)量理論采用如下假設(shè)：空氣是無粘、不可壓縮的理想流體；視葉輪為一個(gè)無厚度的槳盤，流過槳盤的氣流為均勻滑流。換言之，流動(dòng)是一維的。

風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù) 風(fēng)速流經(jīng)槳盤時(shí)，其速度值會(huì)減小，定義軸向誘導(dǎo)因子。在滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和Bernoulli方程的條件下可以推導(dǎo)出葉輪的推力系數(shù)和功率系數(shù)風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)3、葉素理論 葉素理論最早由Drzewiwcki在19世紀(jì)末提出，是葉輪空氣動(dòng)力學(xué)研究中被廣泛采用的又一經(jīng)典理論 葉素理論把槳葉視作由若干個(gè)葉素構(gòu)成。假設(shè)葉素的氣動(dòng)載荷是準(zhǔn)二維的，即每個(gè)葉素類似于一個(gè)二維翼型來產(chǎn)生氣動(dòng)作用。于是，對(duì)葉素氣動(dòng)載荷的計(jì)算便等同于二維翼型氣動(dòng)載荷的計(jì)算。沿槳葉徑向積分就可以得整個(gè)葉片進(jìn)而整個(gè)葉輪的氣動(dòng)特性。風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù) 盡管作了準(zhǔn)二維的假設(shè)，但是通過對(duì)葉素迎角的修正，葉素理論考慮了旋翼的非均勻誘導(dǎo)入流的三維效應(yīng)。換言之，旋翼誘導(dǎo)速度不再假定是均勻分布的；從而，能更真實(shí)地反映誘導(dǎo)速度沿半徑和方位角的變化。

drr0RrUUTURdFTdFPdDdRdLUTUPU風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)

合速度下，葉素的升力和阻力分別為： 式中翼型的升力系數(shù)Cl，阻力系數(shù)Cd取決于葉素的迎角。 葉素的垂向力和切向力分別為： 因此，對(duì)于槳葉數(shù)為Nb的葉輪系統(tǒng)，其拉力，扭矩和功率分別為：

風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)4、動(dòng)量——葉素理論 將動(dòng)量理論應(yīng)用在葉片每個(gè)葉素上，就得到了目前風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)與分析最常用的模式： 動(dòng)量——葉素理論（BEM） 動(dòng)量——葉素理論在針對(duì)每個(gè)葉素作性能分析的同時(shí)考慮軸向和弦向誘導(dǎo)速度，理論基礎(chǔ)相當(dāng)完整。應(yīng)用動(dòng)量——葉素理論對(duì)葉輪性能進(jìn)行分析時(shí)，最關(guān)鍵的步驟是軸向誘導(dǎo)因子和弦向誘導(dǎo)因子的求解。風(fēng)機(jī)葉輪性能分析技術(shù)5、計(jì)算流體力學(xué)在葉輪性能分析中的應(yīng)用

目前，計(jì)算風(fēng)機(jī)葉輪流場(chǎng)的方法主要有拉格朗日描述和歐拉描述，分別對(duì)應(yīng)于渦流理論和CFD方法。CFD方法渦流理論CFD方法以Navier-Stokes方程作為控制方程的CFD方法，因其完整的理論構(gòu)架，可以充分考慮粘性的影響，計(jì)算出控制體內(nèi)任意一處所有的物理信息，已經(jīng)成為計(jì)算流體力學(xué)的主流。對(duì)于粘性模擬的準(zhǔn)確性取決于合適的紊流模型。目前常用的紊流模型有k-ε模型和k-ω模型。隨著計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD方法得到了長足的進(jìn)步，但要令人充滿信心地應(yīng)用在風(fēng)機(jī)葉輪分析和設(shè)計(jì)上，還需再進(jìn)一步。CFD方法渦流理論渦流理論在廣義上，包括兩個(gè)問題： 內(nèi)部問題：通過葉片模型對(duì)葉片渦系的分析； 外部問題：通過尾跡模型對(duì)葉輪尾跡的分析。外部問題一直是渦流理論的關(guān)注重點(diǎn)。其關(guān)鍵就在于葉輪尾跡模型的選取。一般地，葉輪尾跡模型可歸納為： 固定尾跡模型 預(yù)定尾跡模型 自由尾跡模型渦流理論固定尾跡模型在20世紀(jì)六、七十年代被廣泛應(yīng)用于葉輪氣動(dòng)特性分析。但固定尾跡未考慮尾跡的收縮和渦線的畸變，因而與實(shí)際尾跡形狀有一定差別。預(yù)定尾跡模型從流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)出尾跡形狀。因此它考慮了尾跡的實(shí)際收縮，在20世紀(jì)七、八十年代成為葉輪尾跡分析的有效手段。自由尾跡模型則從自由渦面不承力的思想出發(fā)，允許渦線隨當(dāng)?shù)貧饬魉俣茸杂梢苿?dòng)。它充分考慮了尾跡對(duì)自身的作用和葉片與尾跡之間的相互干擾，因此它是一種更準(zhǔn)確且物理上正確的方法。

渦流理論風(fēng)機(jī)葉片上的流場(chǎng)控制裝置渦流發(fā)生器 渦流發(fā)生器通常安裝在葉片的吸力面，距離前緣15%－30%弦長處，借由延緩分離流的發(fā)生而提高最大升力，但同時(shí)也使得阻力增加。風(fēng)機(jī)葉片上的流場(chǎng)控制裝置StallStrip StallStrip通常安裝在葉片外圍的