风力机风轮性能和设计方案.pdf

第3 章　 风力机风轮的性能和设计方案 3．1　 引言 本章主要介绍风力机风轮及其相关部件, 侧重于风轮分类、 设计方案、 性能及 关键的设计要求。 将介绍广泛用于现代风力机组的不同类型风轮, 尤其是其设计的 简洁性和可靠性。 一维 (1D)、 二维 (2D) 和三维 (3D) 的气动分析将应用在风 力机风轮中, 重点是功率系数和升力系数的分析。 首先, 对理想风轮结构设计的一维简单模型进行评估, 以确定轴向速度、 风轮 的压降和作用在控制体上压力的轴向分力的关键作用。 通过它们对轴向速度的影 响, 将确定循环控制流的关键参数。 在本章将引述造成尾流速度跳变的原因, 定义 静态不可压缩无摩擦气流的条件和参数。 在从风轮后侧到风轮前侧的远上游地区可 以合理运用伯努利方程。 理想风轮的轴向动量方程可以运用某些假设推导得到。 作 为轴向诱导因子和轴向风速的函数, 将推导出风轮转速的表达式。 　 　 风轮的类型及其性能 本章将简要介绍风力机风轮及其性能和关键性能参数。 上风向和下风向风轮广 泛应用于水平轴风力机, 而萨窝纽斯风轮和达里厄式风轮最适合用于垂直轴风力 机。 当叶尖速比为1~2．5 时, 萨窝纽斯风轮的效率通常很低, 当叶尖速比超过3 时效率会提高。 当叶尖速比为3 和4 时, 风轮效率分别为53%和57%。 在叶尖速 比为5~10 时, 萨窝纽斯风轮具有高于58%的恒定效率。 定义叶尖速比为叶尖速 与初始风速的比值。 在叶尖速比为5~7 时, 达里厄式风轮的效率约为28% ~32%, 当叶尖速比为 6 时效率达到最大33%。 由于其相对较低的效率, 达里厄式风轮只用于小容量风 力机。 上风向和下风向风轮的效率更高, 通常用于水平轴风力机和螺旋桨式风车。 风 车风轮的理想效率很高: 当叶尖速比为 1、 2、 3、 4、 5、 6 和7 时, 效率分别为 41．5%、 51．2%、 54．8%、 57．2%、 57．5%和58%。 上风向和下风向风轮最适合用 于在高叶尖速比下运行的大容量风力机。 　 　 叶片 螺旋叶片是风力机风轮最关键的部分。 风轮设计阶段, 风轮的性能、 安全性和 机械完整性相当重要。 无论何种风况, 风轮叶片必须遵循空气动力学和流体力学的 　58 风力机技术 原理以获得最佳性能。 水平轴风力机和垂直轴风力机叶片的设计结构和性能要求不 同。 作者的初步研究表明, 当升阻比减小时, 增大叶尖速比可以使效率最大或功率 系数最高。 进一步的研究表明, 叶片所有的部分必须倾斜, 以确保最小的升阻比。 叶片的设计结构和性能要求将在第4章中详细讨论。 3．2　 理想风轮的一维理论 在使用叶素理论 (BEM) 前必须对理想风轮的简单一维模型进行研究。 如前 所述, 风力机从风的动能中提取机械能, 在实现这一目标中风轮发挥着关键作用。 简单的一维模型中的风轮是渗透性的圆盘。 圆盘被视为一个理想的例子, 因为它是 光滑的, 而且在尾流中没有旋转速度分量。 这些是理想风轮的两个基本条件。 圆盘是阻力设备, 把风轮远上游的初始风速 V 在风轮处降至u, 最后降至u , 0 1 如图3-1所示。 在这些条件下, 流线必须按图示进行分离。 阻力来自风轮两端的压 降。 压降取决于空气密度ρ, 初始风速V 和风轮处的最终风速u , 这很容易从风轮 0 1 两端压降的表达式看出来。 在风轮上游测, 压力有微小的上 升, 在不间断的压降Δp 之前, 风轮 上的压力从p 增大到p。 注意在风轮 1 的下游作用区域, 压力不断地恢复到 大气水平。 在此过程中, 马赫数很 小, 空气密度是常数, 轴向风速从 V0 减小到u , 如图3-1所示。 压力与轴1 向风速之间的关系也如图中所示。 基 于理想风轮的假设, 可以建立所涉及 的各种风速、 产生的推力 T和吸收的 轴功率P之间的数学关系。 产生的推 力的表达式可以写为 T=ΔpA (3-1) 图3-1　 阻力动态特性 式中, Δp 是风轮上的压降;A 是风轮