大型风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化_戴巨川
大型风力机叶片气动外形设计及三维实体建模研究
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风力机叶片气动外形设计
风力机叶片气动外形设计摘要:风力发电机组叶片的气动特性直接影响到机组效率,考虑了风力机叶片气动损失,运用气动优化软件对风力机叶片进行了气动设计。
叶片从叶根到叶尖采用了不同翼型,以满足叶片强度和气动性能的要求。
不同翼型之间采用了样条插值后的过渡翼型。
在所设计的风力机叶片基础上,详细计算了叶片的气动性能。
计算结果与实际运行结果非常接近,表明该叶片具有良好的气动性能,满足客户的使用要求。
关键词:风力发电机组叶片;叶尖速比;翼型;弦长;扭角;气动优化软件引言风力发电是一种无污染、无需原料的清洁发电形式。
根据Betz理论,人们能从风中摄取的最大功率为风功率的59.3%[1,4]。
然而这只是在完全没有损失的理想条件下,现代水平轴风力机的最大风能利用率一般在50%左右。
叶片气动损失是导致风能利用率不能达到59.3%的重要原因之一。
因此,在风力机叶片设计中需要合理选择翼型,减小气动损失的影响。
1 叶片设计叶片气动设计的目的是降低风力机叶片的气动损失,运用气动优化软件设计考虑了风力机叶片的气动损失,同时对设计好的叶片进行了性能计算。
1.1设计要求本项目是与某整机厂合作开发,其基本参数为:空气密度:1.225kg/m3;设计等级;GL IIA;风剪切指数:0.2;入流角:8°;切入风速:3 m/s;额定风速:≤12.5 m/s;切出风速:25 m/s;叶片长度:48.8m,额定功率为2500kW。
2外形优化设计理论2.1翼型的选择叶片的中间区域采用DU翼型,其相对厚度范围为40%-25%,叶尖区域采用NACA翼型,其相对厚度范围为21%-15%。
对于厚翼型DU,其相对厚度为40%、35%、25%的翼型的最大厚度位于距前缘30%处,而相对厚度为30%的翼型有两种分别是DU97-W-300和DU00-W-300,后者的最大厚度位置偏向后缘,叶片成型时不容易光顺过渡,所以采用DU97-W-300。
叶尖区域采用NACA族翼型考虑了如下几个因素:1)叶尖区域运用NACA族翼型的叶片较多,实际运行效果良好,可供我们借鉴,而运用DU族翼型的叶片很少。
大型风力机复合材料叶片的气动外形和载荷设计
级风
率。 知道了平均风速和风速的频度 , 就可以按一定的原则来确定风速的大小 , 一般由风电机 组整机厂商根据风场的勘测数据确定。 风轮直径 。由叶片适用的风区 , 如果是 正 会较小 相反 , 如果是 正 类风区 , 额定风速较高 , 风轮直径 类风区或更差 , 要求额定风速会更低 , 风轮直径更大。 确定了
气动设计的基础参数 , 风力机叶片的运行迎角范围是一 。 一
动量理论
动量理论似
淀 义了一个通过风轮平面的理想流管 , 见图 ,
、
、
矶 分别表示来流风速 、 流过风轮风速 、 风轮后尾流速度 。
图
动量理论理想流管
应用动量方程和伯努力方程可以推导出轴向力
和风轮转矩
的表达式
咸 ’’ 一 叭 威‘ 一。 。 吞 式中 轴向 诱导因子
讥 祝
这时 , 作用在风轮平面
沐 声
, 。
’
圆环上的轴向力 推力 和转距可表示为
‘ ’
一 ,
乡 不
沐 ‘ 叹心习
动量叶素理论
动量一叶素理论毋
导因子 和周向诱导因子
结合动量理论和叶素理论 , 计算出风轮旋转面中的轴向诱
兰‘
一 二 必
屏
‘, ,
必
普朗特修正因子
加人普朗特叶尖和叶根修正因子
,式
变成
一口
刀 子,
切向诱导速度
为空气密度 为风轮平面风的角速度 为风轮的角速度 为风轮平面的半径 。 叶素理论
一 叭
山
叶素理论毋
、
的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微 即将叶素看成二维翼型 , 这时 将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分 , 就可以求得作用在风轮上的力和力矩 。
大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究
大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究一、概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展,风能作为一种清洁、可再生的能源形式,受到了广泛关注。
风力发电作为风能利用的主要方式之一,具有巨大的发展潜力。
大型风机作为风力发电的核心设备,其叶片的气动性能与结构设计直接决定了风能的捕获效率和风机的运行稳定性。
对大型风机叶片的气动性能计算与结构设计进行深入研究,对于提高风能利用率、降低风机制造成本、延长风机使用寿命具有重要意义。
大型风机叶片的气动性能计算涉及流体力学、空气动力学等多个学科领域,是一个复杂而关键的问题。
通过精确的气动性能计算,可以预测叶片在不同风速、不同攻角下的气动特性,为叶片的结构设计提供理论依据。
同时,结构设计也是风机叶片研发的重要环节,它要求在保证叶片气动性能的基础上,充分考虑材料的力学性能、制造工艺的可行性以及运行环境的适应性。
本文旨在探讨大型风机叶片的气动性能计算与结构设计方法,分析当前国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
通过理论分析和数值模拟相结合的手段,研究叶片气动性能与结构设计的优化方法,为提升大型风机的整体性能提供理论支持和实践指导。
本文的研究不仅有助于推动风力发电技术的发展,也为其他相关领域的研究提供有益的参考和借鉴。
1. 大型风机叶片气动性能与结构设计的重要性随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的追求,风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式,在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
作为风力发电机的关键部件,大型风机叶片的气动性能和结构设计对于提高风力发电机的整体性能、降低运行成本以及确保长期稳定运行具有至关重要的意义。
气动性能直接关系到风力发电机组的发电效率和能源利用率。
叶片的气动设计需要综合考虑空气动力学原理、材料力学、结构动力学等多学科知识,以确保叶片在复杂多变的风速和风向下都能保持较高的能量转换效率。
通过优化叶片的气动性能,可以提高风力发电机组的年发电量,进而提升风电场的经济效益。
风力发电机组风机叶片气动特性分析与优化设计
风力发电机组风机叶片气动特性分析与优化设计第一章:引言引言部分介绍了风力发电作为清洁能源的重要性和发展现状,以及风机叶片气动特性分析与优化设计的研究背景和意义。
第二章:风机叶片气动特性分析的基本原理本章主要介绍了风机叶片气动特性分析的基本原理,包括流体力学基本理论、风机叶片流场模型、风机叶片气动力学方程等内容。
第三章:风机叶片气动特性分析的数值模拟方法本章介绍了风机叶片气动特性分析的数值模拟方法,包括计算流体力学(CFD)方法、雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程模拟等方法,并对各种方法的优缺点进行了比较和分析。
第四章:风机叶片气动特性分析的实验方法本章介绍了风机叶片气动特性分析的实验方法,包括风洞试验、气动力测量技术、流场可视化等内容,并对各种方法的应用范围和限制进行了详细说明。
第五章:风机叶片气动特性分析的影响因素本章主要讨论了影响风机叶片气动特性的各种因素,包括风速、风向、风轮转速、叶片设计参数等,并对这些因素对风机性能的影响进行了系统的分析和讨论。
第六章:风机叶片气动特性分析的优化设计方法本章介绍了风机叶片气动特性分析的优化设计方法,包括改变叶片几何形状、优化叶片结构材料、提高风机传动效率等方法,并对这些方法的效果和应用前景进行了评价和展望。
第七章:风机叶片气动特性分析与优化设计的应用实例本章通过实际案例分析,介绍了风机叶片气动特性分析与优化设计在实际工程中的应用,包括风场风力发电站、海上风力发电站等领域,并对其应用效果进行了评估和总结。
第八章:结论和展望结论部分对本文进行了全面总结,并对未来风机叶片气动特性分析与优化设计的发展方向进行了展望,包括研究方法的改进、试验设备的完善、理论模型的进一步优化等建议。
参考文献:本文参考了大量相关领域的研究成果和学术文献,详细列出各类参考文献,以供读者深入了解和进一步研究。
(注:本文章提供的是一个大致的框架和章节划分,具体内容和细节需要根据实际情况进行补充和完善。
风力机叶片气动噪声特性分析及减噪叶片外形优化设计
风力机叶片气动噪声特性分析及减噪叶片外形优化设计风力机叶片是风力发电系统中最核心的组成部分之一,其气动噪声特性对于风力机的运行效率和环境影响具有重要影响。
本文将对风力机叶片的气动噪声特性进行分析,并以此为基础进行减噪叶片外形的优化设计。
首先,我们来了解一下风力机叶片的气动噪声产生的机理。
风力机叶片在运行过程中,受到风力的作用产生升力和阻力,同时也会伴随着一定程度的噪声。
主要的气动噪声源可以分为两部分:一是因为风力机叶片表面的气流与边界层的相互作用,产生湍流噪声;二是由于叶片运动带来的叶片表面压力脉动引起的噪声。
因此,为了降低风力机叶片的气动噪声,需要针对这两个方面进行优化设计。
针对第一个方面,即表面气流与边界层的相互作用造成的湍流噪声,我们可以采用以下几种方法进行减噪。
首先是增加叶片的光滑度,减少表面的粗糙度,使得气流在叶片表面的流动更加流畅,减少湍流的生成。
其次是改变叶片的形状设计,减小湍流的生成和噪声的辐射。
例如,采用减小叶片前缘的R 角,增加叶片的弯曲度和厚度,使得气流绕过叶片表面时基本处于层流状态。
此外,还可以通过叶片表面覆盖降噪材料来消声,例如采用吸音板、泡沫材料等。
对于第二个方面,即叶片运动带来的表面压力脉动引起的噪声,我们可以通过优化叶片的结构设计和材料选择来减少。
首先是改善叶片的结构,减少叶片震动和振动噪声的产生。
可以采取增加叶片的刚度和弯曲强度,减小叶片的质量和弯曲惯性矩。
其次是采用新型的材料来制造叶片,例如采用复合材料制作叶片,具有轻量、高强度和良好的耐腐蚀性能,可以有效减少叶片的振动和噪声。
在进行减噪叶片外形优化设计时,需要综合考虑上述几个方面的因素。
可以采用数值模拟的方法,通过流体力学仿真软件对叶片的气动噪声特性进行分析和优化。
首先,建立风力机叶片的几何模型,确定叶片的三维几何形状。
然后,进行流场计算,模拟叶片在风场中的运动和气流相互作用过程。
通过分析计算结果,评估叶片的气动噪声特性,并对叶片的外形进行优化设计。
风力发电机组叶片设计与气动性能优化
风力发电机组叶片设计与气动性能优化1. 风力发电机组叶片设计中的关键要素风力发电机组的叶片是将风能转化为机械能的重要组成部分。
在进行叶片设计时,需要考虑以下几个关键要素:1.1 叶片材料选择叶片的材料选择直接影响到叶片的强度、重量以及耐久性。
常用的叶片材料包括玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)等。
根据实际情况选择合适的材料,平衡叶片的性能和成本。
1.2 叶片型号与结构设计叶片的型号和结构设计对于风力发电机组的性能具有重要影响。
常见的叶片型号有直线型、弧形型和延伸型等,不同型号的叶片适用于不同风速和风向条件。
另外,叶片结构设计也需要考虑到叶片的性能需求和制造成本等因素。
1.3 叶片长度与扭转角度叶片长度和扭转角度对于风力发电机组的性能也具有重要影响。
较长的叶片可以捕捉更多的风能,但同时也增加了叶片的重量和制造成本。
合理设计叶片长度和扭转角度可以提高风力发电机组的发电效率。
2. 风力发电机组叶片气动性能优化方法为了进一步提高风力发电机组的发电效率,可以采用以下几种气动性能优化方法:2.1 叶片气动外形优化通过优化叶片的气动外形,可以降低叶片的阻力和气动损失,提高发电机组的发电效率。
常用的优化方法包括改变叶片的厚度、弯曲度和剖面形状等。
2.2 叶片材料选择与优化选择适当的叶片材料可以减轻叶片的重量,提高风力发电机组的发电效率。
与此同时,也需要考虑材料的强度和耐久性,确保叶片在恶劣的环境条件下能够正常运行。
2.3 叶片结构优化优化叶片的结构设计可以降低叶片的振动和噪声,提高整个风力发电机组的性能稳定性。
常用的结构优化方法包括改变叶片的支撑结构、增加防风措施等。
2.4 使用流体力学模拟软件进行优化借助流体力学模拟软件,可以对风力发电机组的叶片进行详细的气动性能分析,为优化设计提供科学依据。
模拟软件可以模拟不同风速和风向条件下的叶片性能,帮助工程师进一步改进叶片设计。
3. 风力发电机组叶片设计与气动性能优化的发展趋势随着科技的发展和研究的深入,风力发电机组叶片设计与气动性能优化也在不断演进。
大型风机叶片气动外形参数计算与三维建模方法
大型风机叶片气动外形参数计算及三维建模方法靳交通1,彭超义2,潘利剑1,曾竟成2(1. 株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲,412007;2. 国防科学技术大学航天与材料工程学院,湖南长沙,410073)摘要:结合工程实践,基于Schmitz理论计算出风机叶片气动外形参数并利用三维坐标变换原理计算截面翼型空间分布位置,在此基础上,以大型三维设计软件UG为工作平台建立了叶片三维气动外形,并完全满足五轴数控加工制造要求,从而验证了该方法的可靠性。
这一方法简化了复杂曲面的设计过程,提高了工作效率,为后续的数控加工、模具制作、结构设计及计算奠定了基础。
关键词:风机叶片,气动外形,参数计算,三维建模The Study of the Shape Parameters and 3D Modeling for Large-ScaleWind Turbine BladeJIN Jiao-tong1, PENG Chao-yi2, P AN Li-jian1, ZENG Jing-cheng2(1. Zhuzhou Times New Materials Technology CO.,LTD, Zhuzhou 412007,China;2.College of Aerospace and Material Engineering,NUDT,Changsha 410073, China)Abstract: Based on Schmitz theory and actual project, calculated blade shape parameters. And calculated space position of blade section airfoil using 3D coordinate conversion theory. On the basis of that. achieved the 3D modeling of blade shape on the working platform of the large-scale 3D software UG .This calculation and modeling method fully meet the five-axis CNC machining manufacturing requirements. Thus has confirmed that reliability. That method simplified the complex surface design process, and improved the work efficiency. And laid the foundation for the following molding, structure design and calculation.Key Words: Wind turbine blade, Aerodynamic shape, Parameter calculation, 3D Modeling1 引言大型风机叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件[1]。
大型风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化_图文(精)
T = 1.148 × 106 ω − 1.279 × 106 (20 根据优化后的气动外形参数,计算出风能利用系数与叶尖速比关系,如图 9 所示曲线。
对曲线上的点多次试算后按 8 次曲线拟合,表达式为Cp = 2.157 × 10−8 λ 8 − 2.049 × 10 −6 λ 7 + 8.214 × 10−5 λ 6 − 1.805 ×10 −3 λ 5 + 0.02359λ 4 − (21 0.1853λ 3 + 0.8289λ 2 − 1.779λ + 1.451 ω /(rad/s 由式 (17 和式 (18 求出点(ω0,T0 和点(ω1,T1 的值分别为 (1.99, 1.005 × 106 ,(1.592, 5.481 × 105 ,代入式(19中,有 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 2 4 6 8 10 v /(m/s 12 14 16 18 20 22 图11 ω − v 关系曲线根据上述公式,可以计算出风轮转速从ω1 变化至ω0 时对应的风能利用系数 Cp ,如图 10 所示;在此基础上,得到风速与风轮转速关系曲线如图 11 所示。
可见,在低于额定风速时,风轮转速随风速增加而增加,在高于额定风速时,风轮转速保持不变。
根据图 11 中风轮转速与来流风速的关系,可以计算得到风速与风轮捕获功率之间的关系,如图 12 所示。
当风速高于其设计风速时功率保持在额定值不变,此时风轮转速不再变化,功率的限制通过改变桨距角实现。
图 13 给出了在不同风速时,桨距角的设计值,从图中可以看出在额定风速以下桨距角保持不变,在额定风速以上,随着风速的增加桨距角快速增加。
6 2.2 ×10 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 (ω 0 , T 0 (ω ′, T ′ Cp max =0.4865 (ω 1 , T1 P/(MW 5 10 v / (m/ s 15 20 25 图12 ω v − P 关系曲线图8 转矩—转速关系曲线β / deg v / (m/ s 图 13 风速与桨距角关系图9 λ − Cp 关系曲线 4 风轮CFD 仿真分析由于设计计算所采用的叶素—动量理论是一种近似的计算理论,误差不可避免。
某型风电机组叶轮的气动优化设计与性能分析
某型风电机组叶轮的气动优化设计与性能分析概述风能作为一种清洁、可再生的能源形式,正逐渐受到全球范围内的关注和应用。
风电机组作为利用风能发电的主要设备之一,其叶轮的气动优化设计对于提高风能利用效率具有重要意义。
本文将以某型风电机组叶轮为例,探讨其气动优化设计与性能分析,从而为今后的风电机组叶轮设计提供一定的参考。
叶轮气动原理叶轮是风电机组中转换风能的主要部件,其气动性能直接影响着风电机组的发电效率。
在风能利用过程中,叶轮通过受风力作用将风能转换成机械能,并驱动发电机发电。
为了提高叶轮的气动效率,减小损失,需要对叶轮进行气动优化设计与性能分析。
气动优化设计1. 叶轮几何形状设计叶轮的几何形状对其气动性能有着重要影响。
在设计过程中,应考虑到叶轮的转速、叶片数、叶片轮廓等因素,以保证叶轮在不同转速下具有较高的效率和适应性。
2. 叶片轮廓设计叶片轮廓的设计是叶轮气动优化的重要一环。
合理的叶片轮廓能够减小湍流损失和阻力损失,提高叶轮的利用效率。
在设计中,可以采用数值模拟和实验相结合的方法,通过优化叶片的横截面形状,减小尾流损失,提高风能的利用效率。
性能分析1. 流场分析通过对叶轮周围流场的分析,可以得到叶轮的速度分布、压力分布等重要参数,进而评估叶轮的气动性能。
可以使用计算流体力学(CFD)等数值模拟方法,对叶轮的流场进行模拟和分析,以获得叶轮的气动特性。
2. 动力学分析动力学分析主要是对叶轮的转动特性和负荷特性进行分析。
通过对转子的惯性矩、动力学特性等进行建模和计算,可以对叶轮的动态性能进行评估,为叶轮的气动优化设计提供参考。
案例分析以某型风电机组叶轮为例,通过CFD模拟和实验分析,得到了叶轮在不同工况下的气动性能参数。
结果表明,在优化设计后,叶轮的效率提高了10%,风能利用效率显著提高。
结论通过对某型风电机组叶轮的气动优化设计与性能分析,可以得到以下结论:合理的叶轮几何形状设计和叶片轮廓设计能够显著提高叶轮的气动效率;流场分析和动力学分析能够全面评估叶轮的气动性能;通过优化设计,叶轮的性能得到了显著提升。
风力机叶片气动性能设计研究
风力机叶片气动性能设计研究李文浩;余波;张礼达;崔军玲【摘要】In blade design parameters of wind turbine,the blade chord length,twist angle and the airfoil distribution along blade direction has a very important influence on the aerodynamic performance of blade.Based on momentum-blade theory,the wind turbine aerodynamic performance calculation program is compiled.in which,the blade loss.thrust correction and the change of angle of attack caused by different blade thickness and width are considered.Taking blade chord length,twist angle and the position of main airfoils as variables,and maximum wind energy utilization coefficient as object,the wind turbine blade aerodynamic design method is developed based on Genetic Algorithm.An example calculation obtaining a wind turbine blade with a wind energy utilization coefficient of 0.480 7 proves the feasibility of method.%在风力机组叶片的设计参数中,弦长、扭角和主要翼型沿叶片展向的安放位置对叶片的气动性能有着极其重要的影响.基于动量叶素理论,考虑叶片损失、推力修正和叶片厚度、宽度对叶素攻角的改变等因素,编写了风力机气动性能计算程序.发展了基于遗传算法,以叶片弦长、扭角和主要翼型沿叶片展向安放位置作为变量,以风能资源利用系数最大化为目标的风力机叶片气动性能设计方法.并给出算例,得到一种风能利用系数为0.480 7的风力机叶片,证明了该方法的可行性.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2017(043)012【总页数】5页(P79-82,100)【关键词】风力机叶片;气动设计;遗传算法;翼型分布【作者】李文浩;余波;张礼达;崔军玲【作者单位】西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039;西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039;西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039;西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TM614风力机气动设计的任务就是利用合理的风轮气动计算方法来配置合理的叶片参数(如翼型的选择、翼型的布置、弦长和扭角的分布),从而达到提高风能利用系数的目的[1]。
多兆瓦级风力机叶片的优化设计与动力学特性分析
多兆瓦级风力机叶片的优化设计与动力学特性分析王琼;魏克湘;耿晓锋【摘要】考虑实际气流流动过程中周向速度的变化情况,即采用Schmitz理论来设计2 MW风力机叶片的气动外形.将计算得到的叶片翼型参数进行坐标变换,获得各个截面上叶素的三维坐标,利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型,并将其导入至有限元分析软件中,进行模态特性和气动弹性分析.讨论了不同铺层厚度和铺层角度对叶片模态特性和气动弹性的影响规律.仿真结果显示:在铺层厚度为0.6 mm和铺层角为60°时,叶片具有较好的模态特性;叶片所受的气动集中载荷随着叶片弦长几乎成线性增长,且在弦长最大时集中载荷最大;当铺层角等于44°时,叶片在气动载荷作用下的最大集中应力最小,具有最佳的气动弹性特性.【期刊名称】《湖南工程学院学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(025)001【总页数】7页(P21-27)【关键词】风力机叶片;模态分析;气动弹性【作者】王琼;魏克湘;耿晓锋【作者单位】湖南工程学院机械工程学院,湘潭411101;湖南工程学院机械工程学院,湘潭411101;湖南工程学院机械工程学院,湘潭411101【正文语种】中文【中图分类】TK83风能作为一种清洁的可再生能源,正越来越受到世界各国的重视.2001年以来,全球每年风电装机容量增长速率为20%~30%,世界风电正以迅猛的速度发展[1].近年来,在国家政策引导下,我国风力发电得到了广泛的应用和发展,总装机容量已居世界第一.2012年,风力发电量已超过了核电,成为火电、水电之后的第三大电力来源.根据“十二五规划”,到2020年,我国风电总装机容量将达到2 亿千瓦,年发电量达到3900亿度.在此过程中, 将加快风电技术升级,提高风电的技术性能和产品质量,使风电成为具有较强国际竞争力的重要战略新兴产业[2].叶片作为风力发电机组的关键部件,不仅很大程度上决定了风能捕获效率,而且决定了传递至整机其它部件的载荷[3],其良好的气动性能和结构特性是整个机组实现长期安全高效运行的前提,因此风力机叶片的结构设计与分析是风力机设计的重要环节[4].为了获得较好的气动特性,风力机叶片一般设计成不对称的复杂形状.李连波等[5]基于Schmitz理论,推导了风力机叶片基本设计参数的计算公式,计算出叶片的半径和入流角.李采云等[6]对叶片在静止状态的模态特性进行了研究,并对比分析了叶片的各阶振型结果.安利强等[7]研究了叶片铺层和主梁形式对大型风力机叶片动态特性的影响.吕计男等[8]按照工程梁方法,将叶片及塔架结构简化成有限元梁模型,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.张少帅等[9]研究了风力机叶片气动载荷的计算问题,总结出一种较为完整精确的计算方法.本文基于Schmitz理论,考虑实际气流流动过程中周向速度的变化情况,即考虑在不同雷诺数中选取最合适的攻角值,计算出叶片的半径和扭角,完成叶片的气动外形设计.将得到的叶片翼型数据进行坐标变换,获得各个截面上叶素空间的实际坐标,将其导入三维建模软件建立叶片的三维实体模型,并将其导入至有限元分析软件中,仿真分析铺层厚度和铺层角对叶片模态特性和气动载荷的影响.叶片设计的好坏是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础.本文以表1所列设计参数的2 MW风力机叶片为例,首先对其气动外形进行设计,并完成叶片的三维建模.1.1 叶片气动外形设计叶片剖面的翼型是构成叶片外形的基本要素,是决定叶片性能的最重要因素.目前风力机叶片翼型有两类:一类是航空翼型和它的修型,另一类是风力机翼型.在中心区域也就是75%的展向剖面的翼型应具有以下性能:① 相对高的升阻比,以获取最大的功率系数;② 限制其最大的升力系数,以保证定桨距失速叶片可靠地进行失速控制;③表面粗糙度对翼型失速的影响小,以确保失速控制特性保持不变;④足够的相对厚度,以保持应有的结构刚度和重量.在根部和尖部附近的翼型除了要有良好的空气动力特性外,还要求从叶片根部到尖部,其空气动力特性是连续的. NACA63系列翼型是目前水平轴风力机叶片使用最多的翼型,它是有高升力翼型,受表面粗糙度的影响较小.本文选用该系列中的NACA63-412翼型,翼型如图1所示.该翼型最大弯度为15%,且在翼型的35.1%处,最大曲面的2.21%,在翼型的50%处.根据表1中的叶片设计参数,取雷诺数为106,利用空气动力学分析设计专业软件Profili,可以得到该翼型的升阻比与攻角的关系如图2所示.从图中很易看出,在攻角为5°时,升阻比最大.故在下面的设计中,选叶片的攻角为5°.将叶片沿长度方向等距分成21个截面,根据Schmitz设计模型[5],可以计算得到每个截面的弦长c和扭角θ分别为:上式中:N为叶片数;CL为叶片的升力系数;r为叶片每个截面到叶跟的距离;R为叶片的半径;λ0为叶片的尖速比,α为叶片的攻角.将叶片的设计参数代入公式(1)和(2),可以得到每个叶片截面的弦长和扭角,结果如图3和图4所示.从图看出,叶片的最大弦长在截面半径6 m处,最大值为4.4 m,且从半径6 m以后弦长随着半径的增加而减小.叶片的扭角随着截面半径的增加而减小,最大值为49°.1.2 叶片的三维建模将从Profili软件中导出的翼型各个截面数据进行坐标变换,可以获得能导入到三维软件的叶片各个截面坐标.坐标变化的具体步骤如下[11]:(1)通过Profili软件获得翼型数据(x0,y0)(2)求解翼型以气动中心为原点,翼型前后缘连线为x轴的二维坐标(x1,y1).设气动中心坐标为(a,b),则(x1,y1)=(x0,y0)-(a,b)(3)结合弦长计算各翼型坐标(x2,y2)=(x1,y1)×c/100c为翼型的弦长.(4)求三维坐标(x,y,z)通过上面的步骤可以得到叶片各个截面上叶素空间的实际坐标(x, y, z),将数据导入Solidworks软件,生成21个截面的翼型曲线图,如图5所示.以截面为基础,将叶片的截面曲线都设置为组合曲线.通过曲线放样将各曲线连接起来,得到叶片的三维图形,如图6所示.将上述三维模型导入到Ansys软件中.采用自适应网格划分方式,将叶片划分为42478个单元,节点数为43500个,图7为叶片网格图.选取叶片的材料为玻璃钢,材料属性如表2所示.分析不同铺层厚度、铺层角和旋转速度对叶片模态特性的影响规律.考虑风机在额定转速为19 rad/min的风速时,设置叶片的不同铺层厚度,每层的厚度分别为0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm和1 mm,总共设置为10层.在铺层角不同的情况下,分析得到叶片前六阶固有频率的变化曲线如图8所示. 从图中可以看出,随着单层铺层厚度的增加,在同一个铺层角的情况下每一阶的固有频率都是增加.但在单层铺层厚度为0.2 mm时,叶片的一阶频率和二阶频率的变化幅度特别大.单层铺层厚度为1 mm时的六阶频率在-45°~0°时会频率上升,和其他铺层厚度的频率变化相反.图9为叶片在单层铺层厚度为0.6 mm,铺层角为60°时的前六阶振型图.从图中可以看出,叶片的前三阶为挥舞振动,叶片是在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动.从第四阶开始叶片开始摆振,随着阶数的增加叶片有一定角度的扭转.在六阶叶片的扭转角度比较大,且位移变形量最大为3.41 mm.随着铺层厚度的增加,叶片的固有频率增加,所以高阶的叶片扭转角度也会增大.当单层铺层厚度为0.8 mm时,叶片的高阶扭转角度会更大,所以选取铺层厚度为0.6 mm,叶片总厚度为6 mm. 由上面图8还可以看出,叶片的各阶固有频率随着铺层角变化而不同,但叶片的同一阶固有频率变化趋势与铺层厚度无关.故以最佳铺层厚度为0.6 mm为例来分析不同铺层角对叶片固有频率的影响,数据如表3所示.由于叶片在振动过程中会出现不同的振动形式,所以各阶的固有频率变化规律会出现不相同.结合图8和表3可知,叶片的一阶固有频率随着角度的增加变化率不是很明显,可以忽略;二阶频率-45°~0°和60°~90°时随着角度的增加而增加;三阶和五阶频率在角度-45°~20°随着角度的增加而降低,在20°~90°随着角度的增加而增加;四阶频率在铺层角为-45°~0°时,随着角度的增加而降低,在0°~90°时随着角度增加而增加.六阶频率在-45°~0°和60°~90°时随着角度的增加而下降,在0°~60°时固有频率增加.风力机叶片一般要求在尽可能降低自身重量的条件下,具有较大的刚度,即固有频率尽可能越大越好.铺层角为20°、45°和60°时,叶片的某几阶固有频率会出现变化的转折点.当铺层角为20°时,叶片的三阶和五阶固有频率为最低值;而铺层角为60°时,固有频率最大,所以设计的叶片铺层角选取为60°时最合适.叶片的气动载荷分析是风力机设计和校核的重要步骤,气动性能决定风力机能够将多少风能转换为电能.作用在叶片上的气动载荷是风力机最主要的动力来源,叶片气动载荷的计算主要依据叶素动量理论(BEM理论).假设叶片处于稳定均匀气流中并且忽略了叶片俯仰、偏航和锥角等因素影响,将力分解为弦长方向和垂直于弦长方向的两个分量[12].假设轴向推力在叶片的单位长度上沿X、Y方向的集中载荷为qx和qy ,则式中:ρ为空气密度,W为相对来流速度,C为叶素剖面的弦长,CL为法向力系数, CD为切向力系数.将表1中的叶片参数代入式6和7中,可以得到2 MW风力机叶片沿X和Y方向的集中载荷随叶片半径的变化曲线如图10所示.从图中可以看出,QX随着叶片弦长近乎线性增长,气动载荷最大的点也是叶片截面弦长最大的点.叶片在Y轴方向上的载荷力变化规律跟前者一样.叶尖的载荷力可视其为0.将计算得到的气动载荷分别加载到每个截面上.由于每个截面是由很多个节点组成,网格划分后,有时模型各部分之间会不连续,但须建立某种形式的连接.所以,可以用自由度耦合来建立节点直接的连接关系[13],得到叶片耦合施加载荷后的有限元模型如图11所示.选取铺层角分别为-45°、0°、20°、45°、60°和90°,利用上述有限元分析模型,分析得到叶片在不同铺层角条件下的最大集中应力和最大位移偏移量曲线如图12、图13所示.由图12和13可以看出,铺层角对最大集中应力和最大位移偏移量的影响与风速无关,在任何风速下,数据变化趋势一致.从图13可知,在铺层角为-45°~45°区间内,叶片所受的集中应力一直下降;在45°~90°区间内,集中应力又开始上升.所以铺层角为45°是一个转折点,可能在45°附近,叶片在气动载荷作用下所受到的应力最小.因此,以风速为5 m/s为例,将铺层角设置为43°、44°、45°,得到如表4所示数据.由表4可知,叶片在铺层角为44°时,在气动载荷的作用下,所受的最大集中应力最小.从图14也可以看出,叶片的最大位移偏移量在铺层角为-45°~0°范围内上升;在0°后随着角度的增加而下降.故叶片的铺层角为44°时,具有最佳的气动载荷特性.(1)多兆瓦级叶片的每个截面弦长和扭角与叶片截面到叶根的距离有关.叶片的最大弦长在截面半径为6 m位置处,最大值为4.4 m,且从半径6 m以后弦长随着半径的增加而减小.叶片的扭角随着截面半径的增加而减小,最大值为49°.(2) 随着复合材料叶片单层铺层厚度的增加,对同一铺层角,叶片的各阶固有频率都是增加.在单层铺层厚度为0.6 mm时,叶片具有最佳的模态特性.(3)叶片在不同阶的固有频率随着铺层角变化而不同,但不管铺层厚度增加还是减小,叶片的同阶固有频率变化趋势一致.铺层角为20°、45°和60°时,叶片的某几阶固有频率会出现变化的转折点.当铺层角为20°时,叶片的三阶和五阶固有频率为最低值;而铺层角为60°时,固有频率最大.故在叶片设计中,铺层角选取为60°时最合适.(4)叶片所受的气动集中载荷随着叶片弦长几乎成线性增长,且在弦长最大时集中载荷最大.当铺层角等于44°时,叶片在气动载荷作用下的最大集中应力最小,具有最佳的气动载荷特性.【相关文献】[1] 李晔. 国外大型风力机技术的新进展[J]. 应用数学和力学,2013, 34(10): 1003-1011.[2] 黎作武, 贺德馨. 风能工程中流体力学问题的研究现状与进展[J]. 力学进展, 2013, 43 (5): 472-525.[3] Thomsen, Ole Thybo. Sandwich Materials for Wind Turbine Blades: Present and Future. Journal of Sandwich Structures and Materials, 2009,11:7-26.[4] 刘伟,尹家聪,陈璞,苏先樾. 大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析[J]. 空气动力学学报,2011, 29(3): 391-395.[5] 李连波, 陈涛. 基于Schmitz理论的风叶气动设计研究[J]. 应用力学学报, 2012, 29(2):225-228.[6] 李采云, 朱龙彪. 3MW海上风力机叶片的三维建模及模态分析[J]. 机械设计与制造, 2011(6): 192-194.[7] 安利强, 周邢银. 5MW风力机叶片模态特性分析[J]. 动力工程学报, 2013, 33(11): 890-894.[8] 吕计男, 刘子强. 大型风力机气动弹性响应计算研究[J]. 空气动力学报, 2012, 30(1): 125-128.[9] 张少帅, 王璋奇. 水平轴风力机叶片气动载荷计算和偏移分析[J]. 华东电力, 2011, 39(12): 2060-2063.[10]徐宇,廖猜猜. 气动、结构、载荷相协调的大型风电叶片自主研发进展[J]. 应用数学和力学, 2013, 34(10): 1028-1036.[11]万全喜,张明辉. 风力机叶片优化设计与三维建模[J]. 机床与液压, 2013, 41(9): 163-171.[12]赵丹平,徐宝清. 风力机设计理论及方法[M]. 北京:北京大学出版社, 2012: 51-53.[13]赵丹平. 风力发电机组叶片模型气动载荷研究[D].内蒙古农业大学,2009, 10: 78-79.[14]Cheng Ong, Julie Wang. Design, Manufacture and Testing of a Bend-twist D-spar[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratory, 1999.[15]孙屹刚,王杰. 大型风力机气动载荷分析与功率控制[J]. 太阳能学报, 2012, 33(6): 1023-1028.[16]Jaime Martfnez,Luca Bernabini.An Improved BEM model for the Power Curve Prediction of Stall-regulated Wind turbines[J]. Wind Energy, 2005(8): 385-387.。
风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计
风力机叶片气动外形与主机运行特性耦合优化设计郭小锋; 郭士锐; 杨树峰; 车江宁【期刊名称】《《机械设计与制造》》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】4页(P204-207)【关键词】风力机叶片; 气动外形; 稳态运行特性; 粒子群算法; 优化设计【作者】郭小锋; 郭士锐; 杨树峰; 车江宁【作者单位】中原工学院机电学院河南郑州 450007【正文语种】中文【中图分类】TH16; TK83; TH121 引言风力机的稳态运行特性是指风力机的稳态控制策略,它包括风力机在理想工作状态下叶片桨距角、风轮转速、叶尖速比、功率系数等随来流风速的稳态变化曲线,是准确计算风力机年发电量、设计机组动态控制策略和控制器的基础,是风力机组的本质设计特性。
在叶片的优化设计中,叶片的外形形状与风力机的稳态运行特性互为影响和约束,一方面,叶片的外形参数是进行风力机稳态运行特性设计的前提;另一方面,叶片优化设计中年发电量、载荷的准确需要设计与之相匹配的风力机稳态运行控制策略。
在现有的研究中,一些研究者在叶片的优化设计中将最佳叶尖速比设定为固定值,在恒定叶尖速比下以叶片的气动功率系数最大或年发电量最大为目标进行叶片弦长和扭角分布的优化设计[1-3]。
然而,叶片在实际运行中并不总是工作于最佳叶尖速比下,对不同的来流风速,风力机的基本控制策略应在满足发电机转速和转矩的限制条件下,通过改变风轮的转速,设定相应的叶尖速比以使风轮的气动功率最大化。
在恒定最佳叶尖速比下优化设计叶片的方法只考虑了叶片的额定工作状态,不能保证设计叶片的全局最优性。
文献[4]以在额定功率系数下的来流风速最小为目标先对叶片外形形状进行优化设计,然后针对优化后的叶片外形设计风力机的稳态运行特性,这种方法考虑叶片基本控制策略的设计问题,但忽略了在优化设计中两者之间的影响关系。
为了实现对叶片外形和风力机稳态运行特性的一体化优化设计,应针对每一设计变量叶片,根据风场的威布尔分布参数,设计与之相匹配的稳态控制策略,由此计算的叶片年发电量才能准确的评价叶片的气动性能,才能实现对叶片的最优化设计。
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M
25
M
352 190
M
1 550 200
M
3 964 000
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5 804 200
Γ = b0 r 2 + b1r + b2
0
前言
1
风力机叶片气动外形决定了风力机风能的捕 获效率,是风力机叶片设计的主要内容。叶片气动 外形设计借鉴飞机机翼理论而来,通常根据风力机 设计功率和风电场风资源情况,选择合适翼型或设 计专用翼型,确定叶片弦长、扭角分布,计算风载 荷和功率。设计时不仅需要考虑气动性能特性,还 要兼顾叶片强度的影响,整个设计过程非常复杂, 需要反复计算完成。长期以来,各国研究者提出了
(8)
图2
叶片翼型分布区域
图3
叶片弦长分布
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机
械
工
程
学
报
第 51 卷第 17 期期
参考叶片设计经验模式,叶片中叶根处弦长到 叶片最大弦长为递增趋势,由最大弦长到叶尖处弦 长呈递减趋势,即在区间 [ r0 , r1 ] 内递增,在区间内 [ r1 , r2 ] 递减,由此可求得 a0 和 a3 的变化范围如下 c −c c0 − c1 < a0 < 1 0 2 2 ( r1 − r0 ) ( r1 − r0 ) c2 − c1 < a < c1 − c2 3 2 ( r − r )2 ( r2 − r1 ) 2 1
第 51 卷第 17 期 2015 年 9 月
机
械
工
程
学 报
Vol.51 Sep.
No.17 2015
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI:10.3901/JME.2015.17.138
大型风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化*
戴巨川 赵尚红 尹喜云 刘德顺
湘潭
c2 − c1 − (r2 2 − r12 )a3 r2 r2 − r1
(6)
a5 = c2 − a3 r2 2 −
(7)
则函数 C2 可改写为
C2 = a3 r 2 + a3 r2 2 −
图1 翼型几何形状
c2 − c1 − (r2 2 − r12 )a3 r + c2 − r2 − r1 c2 − c1 − (r2 2 − r12 )a3 r2 r2 − r1
2 C1 = a0 r + a1r + a2 r ∈ [ r0 , r1 ] 2 C2 = a3 r + a4 r + a5 r ∈ [ r1 , r2 ]
(2)
式中,C1 ,C2 为叶片各截面的弦长, a0 ~ a5 为方程 系数。 由于二次曲线 C1 过点( r0 , c0 )、点( r1 , c1 ),可将 系数 a1 和 a2 表达为 a1 = c1 − c0 − (r12 − r0 2 )a0 r1 − r0 c1 − c0 − (r12 − r0 2 )a0 r0 r1 − r0
[13-14]
(9)
翼型分布对风轮功率的影响
功率/W 10 m/s 1 551 200 1 551 000 1 551 200 1 551 500 15 m/s 4 031 500 4 031 700 4 024 500 4 012 200 20 m/s 6 011 300 6 011 900 6 016 000 6 021 700
Design and Optimization of Aerodynamic Shape and Operating Characteristics of Large Scale Wind Turbine Blade
DAI Juchuan ZHAO Shanghong YIN Xiyun LIU Deshun WEN Zejun
(2) 叶片弦长分布控制方程。以横坐标表示叶 片展向长度(轮毂中心为坐标原点),纵坐标表示叶 片截面弦长建立参数表达坐标系,如图 3 所示。综 [6-11] 合考虑叶片气动、强度设计经验 ,将叶根处弦 长坐标( r0 , c0 )、最大弦长处坐标( r1 , c1 )、叶尖处弦 长坐标( r2 , c2 )作为叶片弦长分布函数的控制量;区 间 [ r0 , r1 ] 和区间 [ r1 , r2 ] 内的弦长分布特性均由二次 函数控制,其表达式写为
(1) 翼型分布对风轮功率的影响。设定 LB 范围 为[5 m,25 m], LD 范围为[1 m,10 m], LC 范围随 LB 和 LD 变化。令 LD 取最小值 1 m, LB 在给定的范
围内变化。基于叶素-动量(BEM)理论 计算得到 风轮在不同风速下的功率,如表 1 所示。
表1
LB/m 5 7 9 11
月 2015 年 9 月
戴巨川等:大型风力机叶片气动外形及其运行特性设计优化
139
同风电场风资源特性有一定差异,同一种叶片难以 在多个风电场适用,如何选择合理的设计目标与设 计方法,以提高叶片的适用范围。在风力机实际运 行过程中,发电机性能需要与风轮特性相匹配,控 制策略的制定需要以风轮运行特性为依据。因此, 完整的风力机叶片气动外形设计,不仅需要选择合 理的设计目标进行气动外形优化,还需要设计优化 后的风轮运行特性,为实际控制提供依据。 基于上述分析,本文开展叶片气动外形及其运 行特性设计优化研究,建立叶片气动外形参数控制 方程,采用 BEM 理论进行气动分析,以满足风力 机额定功率时所需风速最小为目标,构建叶片气动 外形优化模型进行求解,针对优化后的风轮进行运 行特性分析,为实际控制提供依据。为了确保设计 的正确性, 采用更先进的计算流体力学方法 CFD 对 设计结果进行了佐证计算。
1
1.1
叶片气动外形参数控制方程
参数控制方程构建
(3)
a2 = c0 − a0 r0 2 − 则函数 C1 可改写为 C1 = a0 r 2 +
(4)
(1) 翼型分布控制方程。叶片横截面形状称为 翼型,对翼型完整的描述通常引入中弧线、前缘、 前缘半径、后缘、后缘角、后缘厚度、弦长、厚度、 [8-9] 弯度等定义,见图 1 。结合强度和气动的综合考 虑,风力机叶片上一般包含多种翼型。本文在不同 叶片展向长度上分别采用三种不同翼型,如图 2 所 示。 图 2 中 LA 为轮毂半径与叶片叶根圆柱段长度之 和(常数), LB 、 LC 、 LD 分别为三种翼型在叶片展 向分布区域长度。设 LB 和 LD 为自变量,R 为风轮 半径,则 LC 可表示为 LC = R − LA − LB − LD (1)
* 国家自然科学基金 (51205123) 和湖南省科技计划 (2012FJ4270) 资助项 目。20140914 收到初稿,20150506 收到修改稿
多种风力机气动分析与设计的有效方法,如叶素 [1] 动量理论(Blade element momentum, BEM) ,动态 [2] 入 流 理 论 以 及 计 算 流 体 动 力 学 理 论 [3] (Computational fluid dynamics, CFD) 等。基于这些 理论,开展了大量的叶片外形设计研究,如 KIM [4] 等 利用叶素 - 动量理论和参数分布经验模型进行 了 3 MW 风力机叶片设计, 然后采用 CFD 方法对设 计结果进行了验证;考虑风速概率分布,以最大年能 [5] 量输出为目标,ERNST 等运用布谷鸟收缩算法 、 [6] 刘雄等采用遗传算法进行了叶片优化研究 ;陈进 等以风力机单位输出能量成本最低为目标进行了叶 [7] 片形状优化设计 。有关叶片气动外形设计的研究 还在不断深入,一些问题还有待进一步探讨,如不
文泽军
(湖南科技大学机电工程学院
411201)
摘要:大型风力机叶片气动外形设计时,不仅应考虑气动外形参数的优化,还应该考虑参数优化后的运行特性,才能为风力 机实际控制提供依据。为此,提出一种叶片气动外形及其运行特性设计优化方法。该方法首先建立叶片翼型分布、弦长分布 和扭角分布等气动外形参数控制方程,基于叶素-动量理论分析各参数变化对风轮功率的影响。在满足额定功率条件下,以 减小所需额定风速为目标进行优化求解,求解过程中考虑初始桨距角的影响。针对优化后的风轮,设计了风轮转矩-转速关 系曲线,分析了风轮运行特性。最后,采用计算流体动力学方法佐证了设计结果的正确性。 关键词:风力机;叶片气动外形;优化;叶素-动量理论;计算流体力学 中图分类号:TK83
(School of Electromechanical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201)
Abstract:When designing the aerodynamic shape parameter of large scale wind turbine blade, both the aerodynamic shape parameter optimization and the operating characteristics should be considered because the operating characteristics are the control basis for wind turbines. A novel aerodynamic shape and operating characteristic optimization design method for the blade is proposed. The control equations of airfoil distribution, chord length distribution and twist angle distribution are constructed. The influences of various parameters on the wind rotor power are analyzed based on the blade element momentum theory (BEM). The optimization target is to reduce the rated wind speed while the rated power is constant. In the optimization process, the influence of the initial pitch angle is considered. Aiming at the optimized wind rotor, the relationship curve between the torque and the rotational speed is designed, the running characteristics are analyzed. Finally, the correctness of the design results is verified by using the computational fluid dynamics (CFD). Key words: wind turbines; blade aerodynamic shape; optimization; blade element momentum theory; computational fluid dynamics