風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 葉片設(shè)計(jì)理論

12一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪技術(shù)的發(fā)展一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪技術(shù)的發(fā)展風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械化能是由風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪完成的，它直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性能指標(biāo)—風(fēng)能利用系可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。1888年，美國的CharlesF．Brush制成了世界上第一個(gè)用于發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片采取平板設(shè)計(jì)，所以效率較低。31891年，丹麥的PoulLaCour教授首先將氣體動力學(xué)引入風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，是世界上第一個(gè)利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的科學(xué)家，為設(shè)計(jì)和制造性能良好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)開辟了新途徑。20世紀(jì)初，空氣動力學(xué)的蓬勃發(fā)展和飛機(jī)的發(fā)明使人們對葉片的氣動設(shè)計(jì)更為重視。1925年，美國的雅克布斯風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠發(fā)明了三葉片螺旋槳型葉輪，使水平軸葉輪的效率及性能均得到了較大提高。4隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪技術(shù)也在迅速發(fā)展。在空氣動力學(xué)方面最重要的發(fā)展是進(jìn)瑞典和丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國家都發(fā)展各自的翼型系列，這些翼型系列各具特點(diǎn)。美國的SERI系列翼型具有較高的升阻比和一定的最大升力系數(shù),失速時(shí)對翼型表面的粗糙度敏感性低,而NREL系列翼型能有效減小由于槳葉表面粗糙度增加而造成的風(fēng)輪性能下降,并且能增加能量輸出和改善功率控制；5丹麥的RISФA系列翼型在接近失速時(shí)具有較大的升阻比,并且具有對前緣粗糙度的不敏感性；瑞典的FFA-W翼型系列具有較高的最大升力系數(shù)和升阻比,并且在失速工況下具有良好的氣動性同時(shí),采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展方向,利用新型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,使其根據(jù)風(fēng)況的變化能夠改變空氣動力型面,從而改進(jìn)空氣動力性能和葉片受力狀況,增加可靠性和對風(fēng)能的捕獲量。6另外在開發(fā)新的空氣動力裝置上也進(jìn)行了大量嘗試,如在水平軸風(fēng)力機(jī)葉端加一小翼以增加風(fēng)力機(jī)的功率輸出。對于葉片的材料,隨著葉片尺寸的不斷增大,主要朝大型化和輕量化的方向發(fā)展,由最初的木質(zhì)品逐步過渡到玻璃鋼,現(xiàn)在采用碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的大型葉片制造技術(shù)是大型風(fēng)力機(jī)制造7風(fēng)輪的組成部件，主要是葉片。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的，必須懂得有關(guān)翼型的空氣動力學(xué)知識。8風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)的基本概念葉片翼型的幾何形狀與空氣動力特性風(fēng)輪的組成部件，主要是葉片。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪，一般是由2-3片葉片組成的。為了理解葉片的功能，即它們是怎樣將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的，必須懂得有關(guān)翼型的空氣動力學(xué)知識。9現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片的剖面形狀如圖1所示。先考慮一個(gè)不動的翼型受到風(fēng)吹時(shí)的情況。風(fēng)的速度為矢量，方向與翼型平面平行，有關(guān)翼型幾何形狀定義如下：VLVLMθAiNB翼型的尖尾點(diǎn)B為后緣，圓頭上A點(diǎn)稱為前緣。連接前、后緣的直線AB=l,稱為翼弦。AMB為翼型上表面，ANB稱為翼型下表面。從前緣到后緣的虛線叫做翼型的中張線。迎角i是翼型與來流速度矢量之間的夾角。下面考慮風(fēng)吹過葉片時(shí)所受的空氣動力。翼剖面上的壓力分部如圖2所示。上表面壓力為正，下表面壓力為負(fù)，下表面壓力為正。合力如圖3所示。低壓圖2翼剖面上的壓力圖3翼剖面上的合力合力可用下式表達(dá)：式中：pS2F=2pCrSV—空氣密度，kg/m3；—總的氣動力系數(shù)。這個(gè)力可以分解為兩個(gè)分力：垂直于氣流速度的分力——升力平行于氣流速度的分力——阻力FdFL和Fd可用下式表示：CL和Cd分別別為翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。由于這兩個(gè)力互相垂直，所以圖4翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線圖4翼剖面的升力系數(shù)隨攻角變化的曲線圖5翼剖面的阻力系數(shù)隨攻角變化的曲線假設(shè)將受影響的空氣與那些沒有經(jīng)過風(fēng)輪圓盤、沒有減速的空氣分離出來，那么就可以畫出一個(gè)包含受到影響的空氣團(tuán)的邊界面，該邊界面分別向上游和下游延伸，從而形成一個(gè)橫截面為圓形的長的氣流管（如圖6所示）。如果沒有空氣橫穿邊界面，那么對于所有的沿氣流管流向位置的空氣質(zhì)量流量都相等。但是因?yàn)榱鞴軆?nèi)的空氣減速，而沒有被壓縮，所以流管的橫截面積就要膨脹以適應(yīng)減速的空氣。風(fēng)力機(jī)的存在導(dǎo)致上游剖面接近風(fēng)輪的空氣逐漸減速以至于當(dāng)空氣到達(dá)風(fēng)輪圓盤時(shí)其速度已經(jīng)低于自由流風(fēng)速了。風(fēng)速的降低導(dǎo)致了流管膨脹，因?yàn)槠渌俣葲]有對氣體或通過氣體來做功，所以氣體的靜壓將上升以吸收其動能的減少。當(dāng)空氣經(jīng)過風(fēng)輪圓盤時(shí)顯然有靜壓降存在，以至于空氣離開風(fēng)輪時(shí)其壓力會小于大氣壓力?？諝饬骶蜁詼p小的速度和靜壓向下游前進(jìn)——這個(gè)氣流域被稱為尾流。最終，為了保持平衡，下游遠(yuǎn)端尾流的靜壓要與大氣壓保持一致。動能的消耗使靜壓增加，從而導(dǎo)致風(fēng)速進(jìn)一步降低。因此在上游剖面遠(yuǎn)端和尾流遠(yuǎn)端之間，靜壓沒有發(fā)生變化，但是有動能減一、貝茨（Betz）理論二、葛勞渥旋渦理論三、動量理論四、葉素理論五、schmitz理論六、葉柵理論貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想”的，全部接受風(fēng)能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流空氣流是連續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的），這時(shí)的風(fēng)輪稱為“理想風(fēng)輪”。ss2v1s1vv2vv分析一個(gè)放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪”葉片上所有受到的力及移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的風(fēng)輪掃掠后的風(fēng)速面積為s2。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，則必有v于是于是風(fēng)單位時(shí)間作用在葉片上的力由動量定理求得式中：PF=Psv(v2-v1)—空氣當(dāng)時(shí)的密度，kg/m3；—單位時(shí)間流過的空氣質(zhì)量，kg。風(fēng)輪所接受的功率為N=Fv=psv2(v2-v1)經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化N=ΔT2因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率N分別為2N=4ps(v1-v2)(v1+v2)令其等于0，求解方程，得1求Nmax得令=0.593為Cp,稱作貝茨功率系數(shù)（或稱作理想風(fēng)能利用系數(shù)）,有而psv1正是風(fēng)速為v1的風(fēng)能,故N=CTmaxppC=0.593說明風(fēng)吹在葉片上,葉片所能獲得的最p大功率為風(fēng)吹過葉片掃掠面積風(fēng)能的59.3%.貝茨理論說明,理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率通常風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59.3%，一般設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況，取0.25～0.45。風(fēng)輪空氣動力學(xué)的幾何定義風(fēng)輪軸：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的軸線。旋轉(zhuǎn)平面：與風(fēng)輪軸垂直，葉片在其旋轉(zhuǎn)的平面。風(fēng)輪直徑：風(fēng)輪掃掠面的直徑。葉片軸：葉片縱向軸，繞此軸可以改變?nèi)~片相對于旋轉(zhuǎn)平面的偏轉(zhuǎn)角（安裝角）。在半徑r處的葉片截面：葉片與半徑r并以風(fēng)輪軸為軸線的圓柱相交的截面安裝角或槳距角：在半徑r0處翼型的弦線與旋轉(zhuǎn)面二、葛勞渥旋渦理論旋渦理論的優(yōu)點(diǎn)在于考慮了通過葉輪的氣流誘導(dǎo)轉(zhuǎn)動。葉輪旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，流場并不是簡單的一維定常流動，而是一個(gè)三維流場，在流場中會形成一種是由于氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)的葉輪，通過葉片尖部的氣流跡線為螺旋線，在流場中形成螺旋渦流；同樣在輪轂附近有同樣的旋渦形成中心渦流；另外，氣流通過葉片時(shí)，由于葉片表面上下壓力不同，也形成渦流，這個(gè)渦流叫邊界渦流。正因即引入誘導(dǎo)因子。軸向方向上，由于氣流旋渦運(yùn)動，在高速時(shí)形成一個(gè)平面阻礙氣流在軸向方向上運(yùn)動，引入軸向誘導(dǎo)因子a。周向方向上，由于氣流旋渦運(yùn)動，氣流在下游周周向方向上，由于氣流旋渦運(yùn)動，氣流在下游周向方向上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度z，上游周向方向的角速度為0，引入周向誘導(dǎo)因子a’。而假定葉輪以論的思想可得出：氣流在葉輪處的角速度為(z+0)/2，則在葉輪平面內(nèi)氣流對葉輪的角速度為ω′w=w+z2Z=(a'-1)w氣流對葉輪的角速度(2)三、動量理論-P+PVV∞V2 -P+PVV∞V2 圖9動量理論簡圖在葉輪上r--r+dr的環(huán)域內(nèi)應(yīng)用動量定理（如圖9），則風(fēng)作用在該環(huán)域上的軸向推力為dF=dm(V∞-V2)=2πrdrV(V∞-V2)(3)式中：V∞—來流風(fēng)速，m/s；V—葉輪處的風(fēng)速，m/s；V2—葉輪后很遠(yuǎn)處的風(fēng)速，m/s。由于葉輪前后有壓力差ΔP=P+-P-，則軸向力又可用下式表示：dF=2πrdr(P+-P-)(4)利用伯努利方程得P∞+1/2ρV∞2=P++1/2ρV2P∞+1/2ρV22=P-+1/2ρV2以上二式相減并代入式（4），則dF=ρπrdr(V∞2-V22)(5)聯(lián)立(3)、(5)兩式，可得V=（V∞+V2）/2(6)因?yàn)橐胼S向干擾因子，則將上式分別代入式(6)，式(5)得2dF=2)作用在環(huán)形面上的轉(zhuǎn)距作用在環(huán)形面上的轉(zhuǎn)距dM利用角沖量定理，由于dm—?dú)饬魍ㄟ^葉輪時(shí)質(zhì)量的變化d將式(7)代入式(9)得(10)將式(2)代入式(10)得∞(11)dr(1+a)(a'-1)葉素理論是將葉片沿展向分成幾個(gè)微段（一般化分為十個(gè)微段），每個(gè)微段稱為一個(gè)葉素。這里假設(shè)作用在每個(gè)葉素上的力相互之間沒有干擾，葉素本身可以視為一個(gè)二元翼型。研究葉片的受力情況，一般以葉素為研究對象，分析葉素上所受的力和力矩，然后沿翼展方向上積分，即可求得葉片上所受的力和力矩。V圖10在半徑r處的葉片截面圖11安裝角流中的受力分根據(jù)二元翼型理論，作用在翼型上的升力和阻力為式中：式中：dFL—翼型升力，方向與氣流相對葉輪的相對速度dFD—翼型阻力，方向與氣流相對葉輪的相對速度W—?dú)饬鲗θ~素的相對速度，m/s；ρ—空氣密度，kg/m3；C—距轉(zhuǎn)軸r處的翼型弦長，m；Cl、Cd—分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)，Cl、Cd值由所選翼型決定。dFy=dFLsinI-dFDcosI=pCW2dr(ClsinI-CdcosI)(4)將上式代入式(3)、式(4)并消去Cd整理得，所以Cd=Cltgε那么，作用在（r，r+dr）環(huán)域上的葉素所受的軸式中：B—葉片數(shù)。轉(zhuǎn)矩dM=BdFyr=）式中：令從流經(jīng)環(huán)形面積（r,r+dr）的氣流中獲得的最大3+a)(a'1)（13）（14）ε=0，代入式得由式(9)由式(9)得將以上兩式聯(lián)立可推出把式(15)代入式(14)得對于給定的λ值，當(dāng)，dCp/da0時(shí)d2Cp/da2<0令，cosθ式中：θ-所采用的中間變量(17)33將式(17)代入式(16)，并在等式兩邊同除以(λ2+1)24cos3θ-3cosθ=cos3θ所以cos3θ=-可見當(dāng)θ取到一定值時(shí),葉片不同截面處滿足風(fēng)能系數(shù)達(dá)到最大值,利用式(17)、式(15)、式(11)、式(7)可相應(yīng)得出在不同截面處的周向誘導(dǎo)因子,軸向誘導(dǎo)因子,葉弦弦長,氣相角等幾何參數(shù)。λ,λ=λ0；(3)由式(18)求