以风轮气动性能为目标的风力机翼型优化设计
水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究
收稿日期:2005_09_02 作者简介:刘雄(1975~),男,湖南衡阳人,助理研究员,博士研究生.E_mail:lx@https://www.360docs.net/doc/7015887090.html,.c n 基金项目:国家高技术发展(863)计划资助项目(No:220AA512040);广东省科技攻关资助项目(No:2005B10201024, 2005B33401004) 文章编号:1001-4217(2006)01-0044-06 水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究 刘 雄,陈 严,叶枝全 (汕头大学能源研究所,广东 汕头 515063) 摘 要:提出了风力机风轮叶片的优化设计模型,该模型考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行搜索寻优.利用开发的优化设计程序,设计了113MW 风力机的叶片.与已有风力机相比,设计结果显示了明显的优越性,从而说明了该优化设计模型的有效性和实用性. 关键词:风力机;优化设计;遗传算法;片条理论中图分类号:TK 83 文献标识码:A 0 引 言 风力机风轮叶片的外形决定了风能转换的效率,因而风轮叶片气动外形的优化设计技术在风力机设计制造中占有相当重要的地位[1-3] .早期的优化设计方法是Glauert 方法和 Wilson 方法 [2,4] ,其缺点是没有考虑实际风速的概率分布,因而并不能使所设计风力机的 年能量输出最大,另外设计结果需大幅修正,设计效果难以控制 [2,5] . 风力机的叶片设计涉及到复杂的气动性能计算及搜索寻优过程,气动性能计算模型的准确度和优化算法的选择直接决定了设计结果的优劣[6] .出于技术保密的考虑,国外知名的叶片生产商不对外公开其设计方法,商品化的风力机分析和设计软件也都不包含叶片设计模块[7] .因此很有必要研究并掌握风力机叶片设计技术,建立通用的叶片设计软件. 本文建立了风力机风轮叶片的优化设计模型,在模型中考虑了风场风速的概率分布,设计目标为在满足额定功率的要求下,年能量输出最大.在寻优算法中采用改进的遗传算法ECG A(Extended C ompact Genetic Algorithm)[8-9] 进行搜索寻优,较之传统算法,EC GA 具 有更快的寻优速度,并能保证收敛于全局最优解,因而有利于建立通用的叶片优化设计程 序. 2006年2月Feb .2006 汕头大学学报(自然科学版) Jou rnal of Shantou Univers ity (Natu ral Science ) 第21卷 第1期Vol 121No 11
翼型气动特性实验指导书2017版
《空气动力学》课程实验指导书 翼型压强分布测量与气动特性分析实验 一、实验目的 1 熟悉测定物体表面压强分布的方法，用多管压力计测出水柱高度，利用伯努利方程计算出翼型表面压强分布。 2 测定给定迎角下，翼型上的压强分布，并用坐标法绘出翼型的压强系数分布图。 3 采用积分法计算翼型升力系数，并绘制不同实验段速度下的升力曲线。 4 掌握实验段风速与电流频率的校核方法。 二、实验仪器和设备 （1） 风洞：低速吸气式二元风洞。实验段为矩形截面，高0.3米，宽0.3米。实验风速 20,30,40V ∞=/m s 。实验段右侧壁面的静压孔可测量实验段气流静压p ∞，实验段气流的总压0p 为实验室的大气压a p 。 表2.1 来流速度与电流频率的对应（参考） 表2.2 翼型测压点分布表 上表面 下表面 （2） 实验模型：NACA0012翼型，弦长0.12米，展长0.09米，安装于风洞两侧壁间。模
型表面开测压孔，前缘孔编号为0，上下翼面的其它孔的编号从前到后，依次为1、2、3 ……。（如表-2所示） （3） 多管压力计：压力计斜度90θ=，压力计标定系数 1.0K =。压力计左端第一测压管 通大气，为总压管，其液柱长度为I L ；左端第二测压管接风洞收缩段前的风洞入口侧壁静压孔，其液柱长度为IN L ；左端第三、四、五测压管接实验段右侧壁面的三个测压孔，取其液柱长度平均值为II L 。其余测压管分成两组，分别与上下翼面测压孔一一对应连接，并有编号，其液柱长度为i L 。这两组测压管间留一空管通大气，起分隔提示作用。 三、实验原理 测定物体表面压强分布的意义如下：首先，根据表面压强分布，可以知道物体表面上各部分的载荷分布，这是强度设计的基本数据；其次，根据表面压强分布，可以了解气流绕过物体时的物理特性，如何判断激波，分离点位置等。在某些风洞中（例如在二维风洞中，模型紧夹在两壁间，不便于装置天平），全靠压强分布来间接推算出作用在机翼上的升力或力矩。 测定压强分布的模型构造如下：在物体表面上各测点垂直钻一小孔，小孔底与埋置在模型内部的细金属管相通，小管的一端伸出物体外（见图1），然后再通过细橡皮管与多管压力计上各支管相接，各测压孔与多管压力计上各支管都编有号码，于是根据各支管内的液面升降高度，立刻就可判断出各测点的压强分布。多管压力计的原理与普通压力计相同，都是基于连通器原理，只是把多个管子装在同一架子上而已，这样就可同时观察多点的压强分布情况，为了提高量度的准确性，排管架的倾斜度可任意改变。 图3.1 接多管压力计上各相应支管 图3.2 实验安装示意图
风轮的性能计算
风能性能计算主要有三项内容:轴向推力,转矩利功率以及相对应的推力系数,转矩系数和风能利用系数. 推力系数T C 转矩系数M C 风能利用系数P C 如果风轮不在最佳运行状态工作,干涉因子a,b 和梢部损失系数F 就不知道了,此外,由理论计算所得的叶片外形弦宽C 和扭角θ一般要根据实际经验进行修正,因此干涉因子a 、b 一般也都偏离了最佳设计状态下的值.实际上为了求得T C M C P C 一般是根据给出的叶片外形 数据弦宽C 和扭角θ以及翼型升阻曲线,在某一给定运行状态下计算各个剖面上的干涉因子a 和b 以及梢部损失系数F 来计算风轮的气动性能。 性能计算所用公式如下： （1）a ?θ=-
（2）(1)tan (1)a b ?λ-= + （3）2arccos()f F e π -= 2sin B R r f R ?-= （4）cos sin x L D C C C ??=+ sin cos y L D C C C ??=- （5）22 (1)8sin (1)x BCC aF aF r a π?-=- （6） 8sin cos 1y BCC bF r b π??=+ 对于每一个给定的r 或λ,可以用迭代法计算a 、b (1) 给a 和b 一个初始值. (2) 由式（2）计算得?由式（3）计算得F (3) 再由式（1）计算得a (4) 由式（4）计算得 x C 、 y C (5) 由式（5）计算得a ，由式（6）计算得b. (6) 回到第（2）步重新迭代，直到收敛为止 这样各剖面的干涉因子a 和b 及梢部损失因子F 就可求得,就可以求出推力，转矩，功率及相应的系数。
风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究
风速对大型海上风力机的气动弹性影响研究 发表时间：2017-10-25T17:58:34.210Z 来源：《基层建设》2017年第17期作者：张婷婷 [导读] 摘要：海上风力机是未来风电技术发展的重要方向。通常海上风力机风轮尺度较大、叶片弹性特征明显，这给风力机的气动弹性分析带来了极大挑战。 西南科技大学城市学院土木工程系四川绵阳 621000 摘要：海上风力机是未来风电技术发展的重要方向。通常海上风力机风轮尺度较大、叶片弹性特征明显，这给风力机的气动弹性分析带来了极大挑战。利用BEM气动力计算模型及模态叠加结构动力计算模型构建了大型海上风力机气动弹性分析模型，该模型具有计算效率高、计算结果准确的特征。利用该模型对不同风速条件下NREL 5MW海上风力机的气动弹性特征进行了计算和分析。结果显示，风力机的叶尖位移与风速条件直接相关，呈周期性特征。风速越高风力机功率波动频率越低。 关键词：大型海上风力机；气动弹性；BEM；模态叠加模型 0 研究背景 海上风力机为海上风能利用提供了有效的手段。根据“十三五”规划，海上风能资源的开发，将成为未来风能利用的重要发展方向。目前海上风力机技术仍处于发展过程中，部分海上风电强国已拥有部分示范工程，如挪威Hywind项目、葡萄牙WindFloat项目等。此外，近年来日本在海上风电技术领域投入较大，且已逐步形成海上风力机设计能力[1]。 海上风力机具有单机高功率等特点，通常设计为5MW-20MW[2]，相应的风力机的风轮半径将大幅增加。在海上复杂的环境下，气动力、波浪作用力、结构作用力等将形成复杂的耦合作用力体系，给海上风力机的结构响应分析带来了极大的困难。 本文通过动量叶素理论（BEM）计算风力机的气动力，采用模态叠加理论对NREL 5MW海上风力机进行了计算。对风力机的气动力特征及气弹耦合特性进行了系统地讨论。 1气动力计算BEM模型 复杂条件下风力机气动性能的求解是分析风力机气动弹性特征的关键。BEM理论模型将风力机叶片沿展向划分为多个独立的控制单元，假设相互单元之间的流场并不存在气动干扰，从而将三维问题化简为二维问题。极大地提高了计算效率，为风力机的气动弹性响应分析提供了条件。 通过将动量理论与叶素理论耦合并迭代求解，可获得当前翼型条件下的轴向及周向诱导因子和的量值，进而确定当前翼型的作用力。在此基础上将各控制单元的受力沿展向积分即可获得叶片的整体气动特性。 2结构动力学计算模态叠加模型 风力机结构动力学计算模型整体上可以分为模态叠加法、多体动力学计算方法及有限元分析方法。其中模态叠加法通过将叶片的各阶振型乘以响应系数后叠加起来计算其动力学响应，具有快速、高效等特征，是目前风力机气动弹性分析使用的主要方法。本文基于广义作用力方程，利用Duhamel积分可以求得叶片运动数值解，再将各阶模态对应的广义位移转换到物理空间可以得到以下位移结果：
超声速翼型和亚声速翼型的气动特性
超声速翼型和亚声速翼型的气 动特性 总负责：祝恺辰（071450704） 组员：辛宏宇(071450703)
超声速和亚声速翼型不同的主要原因是超声速翼型需承受激波阻力。 激波 超声速气体中的强压缩波。微扰动（如弱压缩波）的叠加而形成的强间断，带有很强的非线性效应。 经过激波，气体的压强、密度、温度都会突然升高，流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。如飞机在较低的空域中作超音速飞行时，地面上的人可以听见这种响声，即所谓音爆。理想气体的激波没有厚度，是数学意义的不连续面。实际气体有粘性和传热性，这种物理性质使激波成为连续式的，不过其过程仍十分急骤。因此，实
际激波是有厚度的，但数值十分微小，只有气体分子自由程的某个倍数，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。 一、超音速薄翼型 翼型作亚声速运动和超声速运动时，对气流的扰动有很大不同 根据动量定律，向前流出的气体将给翼型一个像后的反作用力，它有一个阻力分量；而从控制面向后流出的气流对翼型有一个推力分量；同理，向前流入控制面的气流将给翼型一个阻力分量。而向后流入控制面的气流将给翼型一个阻力分量。从控制面垂直进出的流动不会是翼使翼型承受阻力或是推力。这样，在无粘性流体中作亚胜诉流亚声速扰动无界 原子弹爆炸形成的蘑菇云也是一种激波 超声速扰动限于前马赫锥后，前半部压缩，后 半部膨胀，扰动均沿着波德传播方向即垂直于马赫波
动的翼型不承受阻力（推力与阻力相消），而超声速翼型将承受阻力，这种与马赫波传播有关的阻力称为波阻。 超声速流动中，绕流物体产生的激波阻力大小与物体头波钝度有着密切的关系。由于钝物的绕流将产生离体激波，激波阻力大；而尖头体的绕流将产生附体激波，激波阻力小。 因此，对于超声速翼型，前缘最好作成尖的，如菱形、四边形、双弧形。但是对于超声速飞机，总是要经历起飞和着陆的低速阶段，尖头翼型在低速绕流时，较小迎角下气流就要发生给力，是翼型的气动特性能变坏。为此，为了兼顾超声速飞机的低速特性，目前低超声速的翼型，其形状都采用小圆头的对称薄翼。
垂直轴风力发电机研究报告
垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点： ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360 度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。 ④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。 ⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。 ⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高，一般在5～7左右，在这样的高速下翼片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多，这样的低转速基本上不产生气动噪音，无噪音带来的
风力机风轮的性能和设计方案
第3章一风力机风轮的性能和设计方案 3．1一引言 本章主要介绍风力机风轮及其相关部件,侧重于风轮分类二设计方案二性能及关键的设计要求三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三一维(1D)二二维(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三 首先,对理想风轮结构设计的一维简单模型进行评估,以确定轴向速度二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三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三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三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三理想风轮的轴向动量方程可以运用某些假设推导得到三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三 一一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三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三当叶尖速比为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时效率会提高三当叶尖速比为3和4时,风轮效率分别为53%和57%三在叶尖速比为5~10时,萨窝纽斯风轮具有高于58%的恒定效率三定义叶尖速比为叶尖速与初始风速的比值三 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%三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三 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三风车风轮的理想效率很高:当叶尖速比为1二2二3二4二5二6和7时,效率分别为41．5%二51．2%二54．8%二57．2%二57．5%和58%三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三 一一叶片 螺旋叶片是风力机风轮最关键的部分三风轮设计阶段,风轮的性能二安全性和机械完整性相当重要三无论何种风况,风轮叶片必须遵循空气动力学和流体力学的
水平轴与垂直轴风力发电机的比较
水平轴与垂直轴风力发电机的比较 班级：学号：姓名： 摘要：本文主要对水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机在设计方法、结构等多方面进行了比较，最终得出垂直轴风力发电机大有可为的结论。 关键词：风力发电机；垂直轴；水平轴；设计； 1 引言 风能是一种取之不尽,无任何污染的可再生能源。地球上的风能资源极其丰富，据专家估计，仅1%的地面风力就能满足全世界对能源的需求。人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾作为重要的动力，应用于人类生活的众多方面。风力发电的探索，则起源于19世纪末的丹麦，但是直到20世纪70年代以前，还只有小型充电用风力发电机达到实用阶段。1973年爆发石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代石油燃料的能源，投入了大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制风力发电机组，开创了风能利用的新时代。由于风力发电技术的不断发展，风力发电越来越受到世界各国的重视。 垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中，中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车。但是垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚一些，直到20世纪20年代才开始出现（Savonius式风轮——1924年，Darrieus式风轮——1931年）。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。 随着科技的发展和人类认识水平的不断提高，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大于1仅仅适用于阻力型风轮（Savonius式风轮），而升力型风轮（Darrieus式风轮）的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴。近年来，越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展。
风力机叶片翼型气动性能设计计算方法的分析与研究
2007年,第3期 - -收稿日期:2007-01-15 作者简介:黄 华(1980-),男,江西抚州人,硕士研究生,主要从事风力机叶片翼型气动性能计算研究。 风力机叶片翼型气动性能设计计算方法 的分析与研究 黄 华,张礼达 (西华大学能源与环境学院,四川成都610039) 摘 要:基于翼型理论和线性动量理论对叶片翼型截面升力公式的计算,导出对非设计工况来流角计算的迭代式。应用牛顿-拉普森迭代法对来流角进行计算,根据结果再计算叶片截面的升力、推力、切向力、功率等气动参数。提出一种风力机叶片翼型气动性能的计算和校核设计方法。关键词:气动性能;迭代法;风力机 中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2007)03-0045-03 Analysis and study on desi gn and calculation m ethod of aerodyna m ic perfor mance for airfoils of w i nd turbi ne H UANG H ua ,Z H AN G Li -da (Schoo l o f Ene rgy and Env ironment ,X ihua U n i versity ,Chengdu 610039,Ch i na) Abstrac t :Based on aerofo il t heory and the pr i ncipa l o f linear mom entu m to the calcu lati on of t he lift f o rce for m ulae of b l ade section ,t he itera ti on f o r t he apparentw i nd ang l e pred i ction was obta i ned .By usi ng N ew ton -R aphson iterati on the angle w as calculated .A fter tha t ,the lift ,t hrust ,c ircu m f e renti a l force ,and powe r of the ro t o r was d i m ensi oned .A new ca lcu l a ti on and desi gn m e t hod o f aerodyna m ic perfo r mance for a irfoils of w i nd t urbi ne w as presented .K ey word s :aerodyna m i c perfor m ance ;N ew ton -R aphson itera ti on ;w i nd turb i ne 0 引 言 气动性能计算是风力机设计和校核中的重要环节。设计出桨叶的气动外形后,计算其气动性能,可以作为对设计结果的评价;气动性能计算结 果也可以作为反馈,修正桨叶气动外形提供的数据[1] ,准确的气动性能计算能够提高风轮获取更多的外界风能,风力机桨叶的强度、刚度及稳定性的校核也依赖于气动性能的计算。由于外界来流风速的多变性,风力机桨叶的气动性能计算和校核是一个很复杂的计算过程。 计算叶片在实时叶尖比 的受力和转轮叶片的来流风速是很复杂的,目前各种计算和修正方法给出的都是叶片在设计叶尖比条件下( D )的叶片气动性能参数的计算[2-3] 。对叶片进行设计计算特别在设计叶片的扭曲角时,要计算校核叶片不同半径处的尖速比、形状参数、叶片弦长, 以得到最佳的叶片气动性能,C AD 软件对结构图形设计有很大的帮助,在计算和校核方面有待采 用更直接和有效的方法[4] 。本文从叶片翼型理论和线性动量理论对升力的计算等式出发,得到对叶片非设计工况条件下受力的计算迭代式。考虑各种损失修正讨论迭代式的变换,给叶片气动性能在非设计工况而不单单是设计工况下的计算提供了一个研究和讨论的方法。 1 基础理论 根据施米茨理论计算叶片的外形几何尺寸。叶片在设计叶尖比条件下( D )对于旋转平面的来流角 是给定的,用这个来流角 能够计算叶片能从外界获取的最大能量。叶片的弦长c 和叶片的扭曲角 也给定,这样才能保证风轮运行在设计叶尖比下时,在获取外界最大能量时需要的来流角和 角一致。 新能源及工艺
不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析
不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析 ? 不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析不 同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析尹锐, 王文全, 闫妍(昆明理工大学工程力学系, 云南昆明650500) 摘要：为了研究风力机叶片对风力机运行性能的影响.以家用小型 风力发电机风轮为对象,利用UG软件得到叶片的三维模型. 通过有限体积数值方法求解流动域不可压缩的 Navier-Stokes控制方程和k-ω SST湍流模型方程,其中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,得到流场变量的数值解.通过分析 数值结果,研究了风轮的气动性能,即功率系数、力矩系数和 轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况:即随着 尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小;随着桨 距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,而最大 轴向力系数逐渐减小.同时,展示了不同桨距角下叶片尾部的 流线图.通过对风力机叶片气动性能的研究,可为小型水平轴 风力机叶片的优化设计提供参考. 关键词：水平轴风力机;计算流体动力学;桨距角;气动性能尹锐, 王文全, 闫妍. 不同 桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(9):790-794. YIN Rui, WANG Wenquan, YAN Yan. Analysis of aerodynamic characteristics of a
horizontal axis wind turbine at different pitch angles[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(9):790-794.(in Chinese) pitch angle 目前,应对全球气候变化已成为世界各国共同面临的重大挑战,风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视[1-3].按照风力机风轮转轴与风向位置分为水平轴风力机和垂直轴风力机[4].水平轴风力发电机以其良好的气动性能和便于维护等优点在风能利用领域得到了广泛的应用,目前风力发电设备绝大部分为水平轴风力机[5]. 风力机风轮气动性能计算是风力机风轮设计中重要的工作环节,风轮气动性能计算结果的准确度直接影响风力机的输出功率[6].通过吹风试验得到叶片气动性能需要非常复杂的试验装置和大量的时间,且无法进行大型风力机试验,而对于CFD而言,则不存在这样的问题.例如,SEDAGHAT等[7]利用叶素动量理论对300 kW水平轴风力机叶片进行设计优化,CHOI等[8]利用CFD方法研究了2台2 MW水平轴风力机之间的相互影响,ABDELSALAM等[9]利用CFD方法研究了180 kW水平轴风力机叶片的尾流特征,并且对数值计算和试验结果进行了对比分析[10],LEE等[11]对5 kW水平轴风力机叶片上的速度延迟现象作了试验研究,MORTAZAVI等[12]利用遗传算法对10 m长叶片水平轴风力机不同翼型进行对比分析,孔屹刚等[13]对大型水平轴风力机的变桨载荷进
论水平轴风力发电机效率
论水平轴风力发电机效率
严强 蒋超奇 （上海麟风风电设备有限公司https://www.360docs.net/doc/7015887090.html,，上海，200063） 摘要：本文主要探讨了水平轴风力发电机效率计算中的方法缺陷，指出了产生计算误差的理论原因。通过对 某型水平轴风力发电机的效率修正，证明了其实际效率值要比计算效率值小很多。
V 水平轴 风V1
测风仪
风V2
实度比：叶片受风面积之和与风轮扫风面积之比。 尖速比：叶尖处的线速度和风速之比。 V1 P1 Pa V
ww
a
名词解释
w.
A
V2 P2 Pb
图 2 贝兹理论示意图 1
1
贝兹理论
sim
图1
水平轴风力发电机示意图
os
ol
ar .c
om
b
假设条件：
1）风轮没有锥角、倾角、偏角 2）风没有粘性 3）风轮流动模型可以简化为一个单元流管 4）风轮前、后的气流静压相等P1=P2 5）作用在风轮上的推力是均匀的
c 计算公式
作用在风轮上的推力T为：T=m(V1-V2) 式中V1为来流风速，V2为风流过风轮后无穷远处的风速，m=ρSV，是单位时间内的质量流量。 根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力可以表达成T=S(Pa-P b)，式中Pa是风轮前的风压，Pb是风流过
根据伯努力方程可得： 1/2ρV1 +P1= 1/2ρV +Pa 1/2ρV2 +P2= 1/2ρV +Pb V=1/2(V1+V2) 令 V=V1(1-a) 则 V2=V1(1-2a)
2 2 2 2
V2/V1=(1-2a)为流过风轮后无穷远处的风速与来流风速之比, a=(1-V2/V1)/2 为扰流因子， 则水平轴风轮的轴功率为： P=m(V1 /2-V2 /2) P=2ρSV1 a(1-a)
3 2 2 2
风轮最大轴功率发生在 dp/da=0 时，即 dp/da=2ρSV1 (1-4a+3a )=0，当 a=1/3 时，即(V2/ V1=1/3 时) Pmax=16/27(0.5ρSV1 ) Cp=P/0.5ρSV1
3 3 3 2
Cpmax=16/27=0.593 Cp=4a(1-a)
2
ww
w.
sim
os
ol
ar .c
om
风轮后的风压
（1）
a=(1-V2/V1)/2 当V2 / V1为 1/2 时，即a=1/4，Cp1/2 =0.563
2
小展弦比机翼的低速气动特性
小展弦比机翼的低速气动特性 通常把的机翼称为小展弦比机翼。由于超声速飞行时小展弦比机翼具有低波阻的特性，所以这种机翼常用于战术导弹和超声速歼击机。其基本形状有：矩形、三角形、切角三角形、双三角形等。通常用锐缘无弯扭对称薄翼。 1、小展弦比机翼的绕流特点对圆角的薄翼，在小迎角下绕流为附着流，在前缘存在前 缘吸力。对于小展弦比机翼，只有在3-40下，才出现附着绕流而在更大迎角下，下翼 面高压气流绕过侧缘流向上表面，必定会在侧缘产生分离，在上翼面形成脱体涡。如下 图所示。这些脱体涡的出现将对上翼面产生更大的负压，从而造成更大的升力。这个升 力常称为涡升力。 造成小展弦比机翼的升力特性曲线为非线性的。如图所示。 2、前缘吸力比拟法（Polhamus，1966） 小展弦比锐缘三角翼，在较大迎角工作时，由于翼面上存在拖向后方的脱体涡，使升力特性曲线出现明显的非线性特征。大展弦比附着流的方法不适应，“前缘吸力比法”是专为这种小展弦比机翼提出的。 该方法的基本思路是：将存在拖体涡的翼面中总升力人为分解为：位流升力和涡流升力两部分之和。对于升力系数而言，有
其中，CLp为势流升力系数，CLv为涡流升力系数。 与小迎角下线化小扰动势流升力是不同的。 小展弦比锐缘三角翼在较大迎角下的势流升力L p 前者气流绕过机翼时未发生分离，存在前缘吸力，其势流升力包括法向力和前缘吸力的贡献；后者气流绕过机翼时出现分离，前缘吸力丧失，但分离流在上表面再附，其势流升力仅有是法向力在垂直于来流方向的投影。 根据适当的理论推导，得到 为系数，对于小迎角的情况 其中K p 说明，K 为势流升力线斜率。 p 对于脱体涡产生的涡升力，与涡的位置、形状、强度等有关，理论计算较为困难。吸力比拟法假定：旋涡在翼面上产生的法向力与绕过圆前缘所产生的吸力大小相等，方向转900向上。（相当于用前缘吸力比拟了涡升力） 从物理上讲，这种比拟实际上是设想当气流在前缘分离并再附于机翼上表面时，为了保持绕分离涡的流动平衡所需要的力与势流中前缘保持附体绕流所产生的吸力相等。 根据前缘吸力比拟，因前缘分离涡造成的法向力增量与前缘吸力相等。而涡升力等于该法向力增量在垂直于来流方向的投影。 由此导出