葉片氣動(dòng)特性快速計(jì)算槳距角的改進(jìn)算法

葉片氣動(dòng)特性快速計(jì)算槳距角的改進(jìn)算法

0u3000基于動(dòng)能葉素理論的風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)特性計(jì)算風(fēng)輪是風(fēng)輪設(shè)備將風(fēng)能耗轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的重要關(guān)鍵。葉片作為風(fēng)輪的主要部件，直接影響風(fēng)輪裝置的負(fù)荷和風(fēng)吸收效率。風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)特性的計(jì)算一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),由此發(fā)展了一系列理論。1865年WillianRankin提出了動(dòng)量理論,但只考慮了軸向動(dòng)量變化;1920年AlbertBetz提出了Betz極限;之后發(fā)展了動(dòng)量葉素理論及其修正,渦流理論等。目前可用于風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)特性計(jì)算的方法很多,如基于動(dòng)量葉素理論的方法,基于渦流理論的方法,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法等,但基于動(dòng)量葉素理論的方法具有理論相對(duì)簡(jiǎn)單,計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較廣。GHBladed軟件是基于動(dòng)量葉素理論開(kāi)發(fā)的用于風(fēng)電機(jī)組性能和載荷計(jì)算的商業(yè)軟件。經(jīng)典動(dòng)量葉素理論在迭代計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子與切向誘導(dǎo)因子的過(guò)程中需要不斷查詢翼型的氣動(dòng)特性,不能夠快速計(jì)算給定運(yùn)行攻角所需的槳距角。因此為實(shí)現(xiàn)葉片運(yùn)行狀態(tài)控制,需要對(duì)動(dòng)量葉素理論氣動(dòng)特性計(jì)算方法做一些改進(jìn)。1方程法1.1葉素為旋轉(zhuǎn)軸向力系數(shù)的計(jì)算利用動(dòng)量葉素理論計(jì)算葉片氣動(dòng)特性的一般步驟:(1)假設(shè)軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的初值,一般取a=b=0;(2)計(jì)算半徑r處葉素的入流角和攻角:(3)根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性曲線得到葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd;(4)計(jì)算半徑r處葉素的法向力系數(shù)Cn和切向力系數(shù)Ct:(5)計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的新值:其中,為葉片在半徑r處的實(shí)度,F為普朗特修正因子;(6)將計(jì)算得到的軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的值與上一次計(jì)算的軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的值進(jìn)行比較,如果誤差小于設(shè)定的誤差值(一般可取0.001),則迭代終止;否則,再回到步驟(2)繼續(xù)迭代。1.2葉素的入流角和槳距角改進(jìn)的動(dòng)量葉素理論計(jì)算方法計(jì)算葉片氣動(dòng)特性的一般步驟:(1)給出葉片攻角α以及在該攻角下的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd;(2)假設(shè)軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的初值,一般取a=b=0;(3)計(jì)算半徑r處葉素的入流角和槳距角:(4)計(jì)算半徑r處葉素的法向力系數(shù)Cn和切向力系數(shù)Ct:(5)計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的新值:其中,為葉片在半徑r處的實(shí)度,F為普朗特修正因子;(6)將計(jì)算得到的軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的值與上一次計(jì)算的軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的值進(jìn)行比較,如果誤差小于設(shè)定的誤差值(一般可取0.001),則迭代終止;否則,再回到步驟(2)繼續(xù)迭代;(7)將在攻角α下計(jì)算得到的槳距角θ與葉片在半徑r處的槳距角進(jìn)行比較,若誤差小于設(shè)定的誤差值(一般取決于翼型氣動(dòng)特性攻角的間隔),則半徑r處的運(yùn)行攻角就是α,否則回到步驟(1)改變攻角α的值繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。1.3軸向誘導(dǎo)因子法經(jīng)典動(dòng)量葉素理論計(jì)算方法是在已知葉片運(yùn)行狀態(tài)的情況下,即運(yùn)行葉尖速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片槳距角。假設(shè)軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子的初值,計(jì)算入流角,再計(jì)算得到攻角,由攻角查找翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù),計(jì)算得到新的軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子,重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子收斂為止。特點(diǎn)是在迭代計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子的過(guò)程中需要不斷查詢攻角對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)與阻力系數(shù)。改進(jìn)的動(dòng)量葉素理論計(jì)算方法也是在已知葉片運(yùn)行狀態(tài)的情況下進(jìn)行計(jì)算,即運(yùn)行葉尖速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片槳距角。但需要先給出假定的葉片運(yùn)行攻角,得到在此攻角下的升力系數(shù)與阻力系數(shù),假設(shè)軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子的初值,經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算得到軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子以及在此攻角下所需要的槳距角,然后將計(jì)算得到的槳距角與實(shí)際槳距角進(jìn)行比較,誤差太大就改變攻角繼續(xù)計(jì)算,誤差小于設(shè)定值就得到了運(yùn)行攻角、軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子。特點(diǎn)為在迭代計(jì)算軸向誘導(dǎo)因子和切向誘導(dǎo)因子的過(guò)程中減少了查詢攻角對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)與阻力系數(shù)的次數(shù),由步驟(1)到(6)還能夠快速計(jì)算給定運(yùn)行攻角所需的槳距角。2氣動(dòng)特性及葉片參數(shù)使用兩種方法計(jì)算GHBladed實(shí)例中2MW機(jī)組葉片的氣動(dòng)特性,葉片長(zhǎng)度為38.75m,葉片參數(shù)如表1所示。對(duì)功率系數(shù)Cp與轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM分別乘以修正系數(shù)0.97進(jìn)行修正,對(duì)推力系數(shù)CT乘以修正系數(shù)1.015進(jìn)行修正。2.1機(jī)組運(yùn)行葉尖速比從圖2中功率系數(shù)Cp隨葉尖速比的變化規(guī)律中可以看出,使用兩種計(jì)算方法計(jì)算功率系數(shù)的結(jié)果在機(jī)組運(yùn)行葉尖速比范圍內(nèi)十分接近。功率系數(shù)隨著葉尖速比的增大達(dá)到一個(gè)最大值,然后功率系數(shù)隨著葉尖速比的增大反而減小。2.2種計(jì)算方法對(duì)于推力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比從圖3中推力系數(shù)CT隨葉尖速比變化規(guī)律中可以看出,使用兩種計(jì)算方法計(jì)算推力系數(shù)的結(jié)果十分接近。在槳距角為-2°、2°時(shí),推力系數(shù)隨著葉尖速比的增大而增大。2.3基于兩種計(jì)算方法的對(duì)比從圖4中轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM隨葉尖速比變化規(guī)律中可以看出,使用兩種計(jì)算方法計(jì)算轉(zhuǎn)矩系數(shù)的結(jié)果保持著一致性且十分接近。轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著葉尖速比的增大達(dá)到一個(gè)最大值,然后轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著葉尖速比的增大反而減小。2.4軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子b的分布從圖5可以看出,使用兩種方法計(jì)算在槳距角為0°葉尖速比為6、9時(shí)的軸向誘導(dǎo)因子a十分接近,計(jì)算的切向誘導(dǎo)因子b也十分接近。3改進(jìn)的氣動(dòng)計(jì)算方法(1)通過(guò)與GHBladed的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,說(shuō)明基于動(dòng)量葉素