风力发电机叶片气动外形设计方法概述

本文核心词:风力发电机叶片设计。

风力发电机叶片气动外形设计方法概述

c Research

科学研究Scienti?

风力发电机叶片气动外形设计方法概述

贾娇1 田 德※1,2 王海宽1 李文慧1 谢园奇2

(1.内蒙古农业大学机电工程学院 2.华北电力大学可再生能源学院)

摘 要:该文介绍了目前风力发电机叶片的主要设计理论――Glauert理论、Schmitz理论和动量―叶素理

论。运用以上三种理论,使用c#语言编程分别计算了1000W叶片的弦长和来流角,并对计算出的结     果进行了比较和分析。从设计的结果可以得到,用动量―叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert    理论和Schmitz理论设计出来的弦长和来流角更小。但是用以上三种理论设计出来的弦长和来流角在     叶根处都偏大。

关键词:风力发电机;叶片;气动外形设计

0 引 言

风力发电是风能利用的主要方式,叶片是用来转换风能的关键部件。风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率,因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能,是风力发电机设计着重考虑的部件之一。

Glauert理论、Schmitz理论和动量―叶素理论是叶片设计的基础理论,现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。到目前为止,Glauert理论和动量―叶素理论仍在广泛的使用。分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程,实现对叶片弦长和来流角的求解,并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。

1 理论方法介绍  1.1 Glauert理论

G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a和切向诱导因子b);但在另一方面,该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用,这两者对叶片外形设计的影响较小,仅对风轮的效率Cp影响较大。[4]

由一系列的推导知道[1],对于在给定半径r处的尖速比 ,当

时,即

而 ,则

即 ,由此可得:

(3)将上式代入(1),便可求得a值。  根据

便可求得b,进而可求出如图1所示给定半径处的来流角

(a)速度 (b)作用力

图1 翼型在气流中的运动分析及受力分析

(4)

便可求出 (5)   1.2 Schmitz理论

很多基本理论是在风力发电机假设叶片无限长的情况下建立的,对于有限长度的叶片当风轮旋转时,升力翼的下表面压力大于大气压力,上表面压力小于大气压

时,CP有最大值。令 (1)式中: ―中间变量

在等式两边同除以 ,得

(2)

Scienti? c Research科学研究

截面号1

3345678910

(a)弦长 (b)来流角

图6 动量―叶素理论得到的弦长和来流角

表1 三种方法计算出来的结果

Glaurt 理论计算结果

弦长距离叶根距离r(m)

(m) 0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108Schmitz 理论计算结果距离叶根距离距离r 弦长

(m) (m)

0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108

动量―叶素 理论计算结果

弦长来流角距离叶根距离r(m)

(m) (°)

0.12750.36539.860.2550.35227.410.38250.28920.270.51 0.236 15.96 0.63750.19713.070.7650.172 10.790.89250.1429.751.020.1308.271.14750.1097.601.2750.099 6.21

来流角

(°)40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 来流角(°)40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 截面号13345678910截面号12345678910

通过对比以上数据可以得出

(1)Glauert理论和Schmitz理论计算出来的.弦长和来流角偏大。主要是动量―叶素理论考虑较为全面,考虑了叶尖损失和轮毂损失(在本算例中影响很小),而Glauert理论和Schmitz理论考虑不够全面,只考虑了某一方面。

(2)此实例中,尽管Glauert理论和Schmitz理论考虑的方面不尽相同,但在此算例中计算出来的弦长和来流角一样。从理论上Glauert理论应该更合理,[11]

因为Glauert理论还考虑了了叶轮后涡流流动损失。  (3)对比已经设计出来的1kW的叶片,以上三种方法设计出来的叶片还需要进一步修型,以满足加工、工艺和气动性能方面的的要求  3 结论

(1)比较Glauert理论、Schmitz理论和动量―叶素理论设计出的叶片,可以发现用动量―叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert理论和Schmitz理论更小。  (2)运用以上三种理论设计的出来的弦长和来流角在叶跟处都偏大,与实际的叶片有较大的偏差。

(3)叶片设计的过程是比较复杂的,叶片初步设计出来以后,为了满足其结构、成本、加工条件和气动性能还需要大量的修型。

参考文献

[1] 王凡. 风力发电机的叶片设计方法研究[D].南京:南京理工大学,2007[2] 贺德馨,等.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006

[3] 田德.浓缩风能型风力发电机三与四叶片叶轮的风洞实验研究.太阳能学报.2007,28(1):74-80[4] 刘雄,陈严,叶枝全.水平轴风力机气动性能计算模型[J].太阳能学报,2005,26(6):792-799[5] 陈云程,陈孝耀,朱成名.风力机设计与应用[M].上海:上海科学技术出版社,1990

[6] 时燕.小型风力发电机失速调节型叶轮的实验研究[D]. 呼和浩特:内蒙古农业大学,2008[7] S.S.雷欧.工程优化原理及应用[M].北京:北京理工大学出版社,1990

[8] 刘雄,陈严,叶枝全.风力机桨叶总体优化的复合形法[J].太阳能学报.2001,22(2):157-161[9] 刘翠.风力机叶片的优化设计及其动力学特性分析[D].长春:吉林大学,2005[10] Tony Burton 等.风能技术[M].武鑫等译.北京:科学出版社,2007.9

[11] 张果宇,冯卫民,刘长陆,俞剑锋.风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究[J].能源研究与利用.2009(1)

通讯作者: 田德(1958-) 男, 教授、博士生导师.华北电力大学可再生能源学院。电子信箱:tiande8325@yahoo.com.cn

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