风力发电机叶轮的数值优化设计法

《风力发电机叶轮的数值优化设计法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第20卷第1期工程热物理学报Vol.20,No.11999年1月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSJan.,1999风力发电机叶轮的数值优化设计法邓兴勇陈云程*叶凡*凌志光(上海工程技术大学能源所上海200335)*上海同济大学工程力学系上海200092关键词风力发电机，叶轮，设计1引言目前，在风力机叶轮的气动设计方面，还没有其系统的设计模型和方法，只有一些针对某一方面的模型，这些模型还无法规纳成一套可靠的系统的设计模型[(1]，Gourieres在他的风力机设计理论的书中也只能介绍几种简化的有关设计模型[[2]，所用的设计方法主要还是以

2、经验设计为主，不是全面系统地考虑叶轮的各种影响因素，如Habali[31在他的设计工作中主要考虑了叶片翼型对叶轮运行的气动作用，Voutsinasl4]只是对偏航工况下叶轮的气动特性及操作进行了分析研究，文献{5}也仅对叶轮功率等气动特性进行计算分析等。本文综合分析各种有关叶轮因素的气动模型，建立了一套考虑风力机各种因素的叶轮气动设计数值方法。2叶轮优化设计的数学模型2.1确定叶轮直径的模型根据前人大量的实践，对于现代高速风力机，其额定功率可粗略地写为[2]P=0.2D2V3其中，D为叶轮直径(m),V为额定风速(m/s).2.2叶片弦长的模型2.2.1简化的风车模型在

3、这个模型中，假设风力机按照贝茨理论的最佳条件运行，不考虑叶片涡流的分布及影响，得[2]Clb，一(16-7r/9)R/[Ao了A22(r2/R2)+(4/9)](1)其中，Cl为叶片截面翼型升力系数，b为叶片数，l为叶片截面弦长，R为叶轮半径，A。为叶轮尖速比(=wR/V.,。为叶轮转速)，r为本截面所在叶轮径向坐标。2.2.2Glauert涡流模型本模型考虑了叶轮及叶片涡系对叶片气动特性的影响，由涡流引起的诱导风速可看成是由中心涡系、每片叶片的附着涡系及叶片尖部形成的涡系叠加的结果。主要公式为[[2]Cibl=[8-7rr(1一k)sine0COsE]/[(1+k)C

4、os(I一:)」(2)其中，:为叶片翼型气动特性的升力线角，0为叶轮旋转面与当地气流的夹角，k为中间变量，该模型详细见文献[[2]。2.3叶轮叶片扭转角的确定在叶轮的优化过程中，其叶片扭转角优化的工作量很大，且目前还没有什么好的数本文曾于1997年11月在洛阳召开的中国工程热物理学会热机气动热力学学术会议上宜读.修改稿于1998年1月12日收到.工程热物理学报20卷学模型。本文假设叶片各截面翼型均具有最佳的气动特性(设计风速下)，提出确定叶片各截面扭转角分布的简化模型，它表示为0=tan-1[Vzj/(r卿}一azi+B;(3)其中VZi为叶轮当地最佳风速，azi为各截

5、面翼型最佳升阻比下的气动攻角，e;为保证叶片尖部扭转角为零而设置的常数。2.42.4叶轮功率计算叶轮功率的计算量是相当大的，因它包含所有叶片元素的反复迭代，可以利用基于Wilson气动数学模型的风力机叶轮设计软件包WRD2.0，对叶轮功率进行计算。WRD2.0软件包对Wilson气动数学模型进行了一些改进，即考虑了叶轮流场的三维流动和三维效应等因素，因此在计算的准确性和精度等方面都比Wilson气动数学模型优越[[6]。3RT-39-500叶轮设计在本文的设计中，把风力机的功率及风力机使用地区的风力资源作为设计的主要因素。为使叶轮有较好的总体性能，本文的优化原则有:1)

6、叶轮在设计额定风速达到额定功率，且轴功率应为额定功率的110%(考虑到发电机和变速箱的效率);2)叶轮叶尖速度小于70m/s;3)在低风速下，叶轮有一定的功率(如4m/s时，叶轮应有一定功率);4)叶轮直径及转速应尽可能的低;5)风速达到额定风速后继续提高，其功率应有所下降。3.1叶片数、直径、转速及冀型的确定考虑到风力机的噪音、材料及气动性能等，风力机叶片数定为3片，叶片主要部分截面选用NACA63-4xx系列层流翼型。考虑到中国一些地区风速比欧洲一些国家略低，本叶轮的额定风速选为14m/s，由2.1节中的模型，叶轮直径可初步定为30m.作为初步设计，我们参考国外一些

7、500685.6RPI=44夕二571.3200千瓦叶轮的弦长、扭转角分布及翼型，计算多一1伊}一{}}}.“457.10了出30m叶轮在不同风速、不同叶轮转速、-了l芬342.8-020不同叶尖安装角情况下的功率。图1给出曰日228.5尸-了叶轮转速为44r/min时，叶轮功率的一上」Z114.3组结果，从图中可以看到只有风速达到24尹衬，{}一一{}.一一05210.415.620.826.0m/s，叶轮轴功率才得到498千瓦。很明风速/m/s显，式2.1节中的叶轮功率p的粗略算法不适合于本设计问题，本文所设计的叶轮应图130m直