基于流模型的旋風(fēng)力機(jī)上游風(fēng)輪設(shè)計(jì)

基于流模型的旋風(fēng)力機(jī)上游風(fēng)輪設(shè)計(jì)

0速度三角形設(shè)計(jì)法高效利用能源效率是世界能源發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重要舉措。對(duì)旋風(fēng)力機(jī)能提高風(fēng)能利用率和風(fēng)場(chǎng)空間利用率,降低發(fā)電成本,可顯著降低塔架扭矩和彎曲應(yīng)力,保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,在提高裝置效率和緊湊性上有極大的潛力,近10年成為風(fēng)力機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前,其研究以實(shí)驗(yàn)、理論預(yù)測(cè)和數(shù)值模擬為主。兩級(jí)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法尚不成熟,尤其是下游風(fēng)輪處于上游風(fēng)輪的近尾流區(qū),來(lái)流具有三維非定常特征,缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。速度三角形設(shè)計(jì)法雖被參考文獻(xiàn)采用,但不適用下游風(fēng)輪,因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)處于外流狀態(tài),流管擴(kuò)張,級(jí)間距大,實(shí)度小,尾流與外流混合,流動(dòng)不滿(mǎn)足質(zhì)量守恒應(yīng)用于葉柵單元的假設(shè)條件。在此,將風(fēng)力機(jī)非定常尾流簡(jiǎn)化為二維準(zhǔn)定常流動(dòng),提取尾流模型下游風(fēng)輪前平均軸向速度,采用Wilson設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)同半徑、同尖速比和間距為半徑的對(duì)旋風(fēng)力機(jī),通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證性能并研究?jī)杉?jí)轉(zhuǎn)速之間的最佳匹配。1u3000安裝角與弦長(zhǎng)分布Wilson設(shè)計(jì)法考慮軸向和切向速度的誘導(dǎo)因子(a,b),研究了梢部損失和升阻比對(duì)葉片最佳性能的影響,以及風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能。以每個(gè)葉素截面的風(fēng)能利用系數(shù)最大為目標(biāo),約束條件為a,b,可得能量方程:s.t.a(1-aF)=b(1+b)λ2(2)周速比λ=Ωr/V∞(λR為葉尖速比),葉尖損失系數(shù)采用Matlab編程方法,使此問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橛屑s束的最值問(wèn)題,以式(2)為約束條件,式(1)為目標(biāo)函數(shù),使用fmincon函數(shù)直接進(jìn)行計(jì)算,迭代得到收斂的誘導(dǎo)因子a和b,計(jì)算出F,最終獲得安裝角θ=ue788-α(式3)和弦長(zhǎng)c分布(式4)。先用Wilson法完成上游風(fēng)輪設(shè)計(jì),應(yīng)用AV(aerou3000viroment)模型,獲得下游風(fēng)輪所在位置的平均流速V∞2,再應(yīng)用Wilson法完成下游風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)。這種近似方法假設(shè)下游風(fēng)輪對(duì)上游風(fēng)輪氣動(dòng)特性和尾流均無(wú)影響,對(duì)旋風(fēng)力機(jī)的流動(dòng)近似為串列兩級(jí)的一維準(zhǔn)定常。采用此法設(shè)計(jì)同半徑、同尖速比(λ1=λ2=6)間距為R的對(duì)旋風(fēng)力機(jī),來(lái)流風(fēng)速V=11.3m/s,半徑R=1.438u300055m,翼型為NACA4412,葉片數(shù)均為3,可得上游風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n1=450r/min。將葉片沿展向均勻取10個(gè)截面,取各截面攻角α均為5°,計(jì)算獲得各截面安裝角與弦長(zhǎng)分布如圖1所示。利用AV尾流模型得到下游軸向位置x=R截面,r<R區(qū)域平均軸向速度為6.846m/s,根據(jù)λ2=n2×R/V2獲得下游風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n2=270r/min。由式(1)和式(2),在同尖速比條件下,得到的a,b,F相同,因此,上下游風(fēng)輪安裝角、弦長(zhǎng)相同(下游風(fēng)輪反裝)。2u3000對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的三維價(jià)值進(jìn)行了驗(yàn)證2.1u3000數(shù)值試驗(yàn)為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和探索最佳轉(zhuǎn)速匹配,選用動(dòng)量葉素理論和CFD模擬,對(duì)上游風(fēng)輪不同轉(zhuǎn)速下功率系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。理論方法是已知?dú)鈩?dòng)外形,通過(guò)動(dòng)量葉素理論和Glauert渦環(huán)修正迭代求解誘導(dǎo)因子的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)估程序,CFD方法采用FLUENT軟件單獨(dú)對(duì)上游風(fēng)輪進(jìn)行三維定常流動(dòng)模擬。CFD模型選用1/3圓柱模擬單葉片風(fēng)輪,分為內(nèi)域和外域,內(nèi)、外域前、后端距風(fēng)輪3R,7R,半徑為5R,內(nèi)域?yàn)榘~片的1/3薄圓柱,設(shè)置為運(yùn)動(dòng)參考系(MRF),內(nèi)、外域網(wǎng)格數(shù)為1u3000336u3000827,555u3000030。邊界條件選用周期性邊界、速度入口、壓力出口和壁面邊界。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型。湍動(dòng)能設(shè)為1m2/s2,湍流耗散率為1m2/s3。CFD方法與理論方法結(jié)果對(duì)比如圖2所示。由圖2可知,FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果在450r/min處得到峰值,功率為2u3000616W,Cp=0.455,與設(shè)計(jì)點(diǎn)重合,表明上游風(fēng)輪設(shè)計(jì)成功;理論方法則在500r/min處取得峰值(功率3u3000232W,Cp=0.563),基本能捕捉功率最高點(diǎn)。由于理論方法中近似將阻力系數(shù)處理為0,且除葉片損失系數(shù)外不考慮三維流動(dòng),所以導(dǎo)致結(jié)果有偏差。對(duì)于精度要求不高的性能估算,利用該理論方法快速有效。2種方法顯示功率隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)基本一致。2.2u3000功率變化當(dāng)上游風(fēng)輪轉(zhuǎn)速確定為450r/min后,采用CFD方法,驗(yàn)證下游風(fēng)輪特性和最佳轉(zhuǎn)速,研究下游風(fēng)輪對(duì)上游的影響。計(jì)算域及模型如圖3所示,內(nèi)域網(wǎng)格數(shù)ROTOR1為455u3000452,ROTOR2為455u3000634,外域?yàn)?86u3000264。邊界條件、湍流模型和運(yùn)動(dòng)參考系設(shè)置同2.1節(jié)。功率系數(shù)均以上游風(fēng)輪前風(fēng)速V∞為基準(zhǔn),風(fēng)速不變,下游風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化引起功率變化,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,下游風(fēng)輪轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到300r/min,其功率從0增加到最大值576W,而上游風(fēng)輪功率從2u3000475W緩慢降低到2u3000304W,下降幅度小(6.9%),說(shuō)明下風(fēng)輪的氣流遮擋造成上風(fēng)輪功率減少不明顯,與參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。當(dāng)下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速再增加時(shí),其功率顯著下降甚至到負(fù)功,這是因?yàn)樵趯?shí)際情況下,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速受到風(fēng)速控制,V∞2能量小不足以推動(dòng)下游風(fēng)輪高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),若人為維持高轉(zhuǎn)速需額外的能量輸入,因此,下游風(fēng)輪功率峰值之后的模擬狀態(tài)點(diǎn)已無(wú)實(shí)際意義。對(duì)旋風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果為:a.在設(shè)計(jì)點(diǎn)(下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速270r/min)總功率(系數(shù))最大為288u30001W(0.501),此時(shí)上下風(fēng)輪功率(系數(shù))分別為233u30008W(0.407)和543W(0.094),下風(fēng)輪功率約為上風(fēng)輪的23.1%。b.對(duì)比單級(jí)上風(fēng)輪最大功率系數(shù)0.455,對(duì)旋風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)0.501u30004,提高了10.11%。c.上風(fēng)輪加裝下風(fēng)輪后功率系數(shù)從0.455下降到0.407,降低10.5%,主要原因是下風(fēng)輪氣流遮擋作用。3最大功率系數(shù)驗(yàn)證結(jié)合Wilson設(shè)計(jì)方法,利用風(fēng)力機(jī)尾流提出了對(duì)旋風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)思路。通過(guò)理論方法和CFD方法,驗(yàn)證此法有較高的準(zhǔn)確性,體現(xiàn)在:a.理論方法和CFD方法獲得的最大功率系數(shù)均在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近,兩者走勢(shì)基本相同,對(duì)最大功率點(diǎn)捕捉準(zhǔn)確,理論方法程序設(shè)計(jì)有效。b.總功率系數(shù)在設(shè)計(jì)點(diǎn)達(dá)