1_2MW风电机叶轮气动性能分析与仿真
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[关键词 ] 风力发电 ; 叶轮 ; 设计参数 ; 仿真 ; 验证 [中图分类号 ] T M614 [文献标识码 ] A [文章编号 ] 1000 - 9965 ( 2009 ) 05 - 0523 - 05
Aerodynam ic character istics ana lysis and sim ula tion research of 112 MW w in d turb in e genera tor rotor
时 ,叶轮的轴向和切向诱导系数 a, b可由下式计算 :
a ( 1 - a ) = b ( 1 + b) ( 1) V1
其中 CP =
2
8
2 0
b ( 1 - a) ∫
0
0
3
d
=
其中 , 设计尖速比 定 . 总气动损失系数 失系数为 :
t
0
ωR = , 可作为设计参数给
t
( 5) 2 0 b ( 1 - a ) 在最大风能利用的条件下 , 给定设计参数 B , R, 可迭
QU Gui, L IN Feng
(Departm ent of M echatronic Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510635, China)
[ Abstract] The design on w ind turbine generator rotor is usually divided into two parts: design calcu2 lation and capability validation. The high 2 power w ind generator must be given the validation of aerody2 nam ic capability after the geom etry data of the blade was obtained. Based on the theoretically calculated model, the theory calculation and p ractically data testing of 1. 2 MW turbine rotor has been m ade. And sim ulation model was established. A s a show ing result, it is necessary to enlarge the amendatory coeffi2 cient p roperly and ensure the theory design reliability during the theoretically calculating and validating . The factors on losses of the hub and tip , the effect of friction, etc is synthesized to make the function of sim ulation and validation better . The theory calculation and sim ulation must be com bined w ith the testing in the design p rocesses of rotor to ensure the design result m uch more in accord w ith the running fact . [ Key words] w ind turbine generator; w ind rotor; design parameter; sim ulation; validation
P =
0
( 3)
MATLAB / sim ulink 工具箱对 112 MW 风电机叶轮气
π ρr V ω 4 ∫
3 1
R
2
= ( 1 - a ) bd r =
动性能进行计算和仿真研究 , 并与实际运行数据对 比 ,可以对计算和仿真模型进行验证 .
1 叶轮气动性能计算的数学模型
由 W illson理论
屈 圭, 林 峰
(广东技术师范学院 机电学院 , 广东 广州 510635 ) [摘 要 ] 风力发电机叶轮设计通常分为设计计算与性能验证两部分 . 对大功率风电机 ,在得到叶片的几何数据
后 ,必须进行叶轮的气动性能验证计算 . 建立理论计算模型 ,以具体 112 MW 风电机叶轮为对象 ,进行了理论计算 和实际数据测试 ,并建立了仿真验证模型 . 结果显示 ,依据理论模型进行设计计算和验证计算时 ,要适当增大修正 系数 ,保证理论设计与实际运行结果更加接近 . 在建立大功率叶轮仿真模型时要综合轮毂和叶尖损失 ,重视摩擦等 因素的影响 ,使模型的仿真验证功能更强 . 大功率叶轮设计时必须将理论计算与仿真和试验验证相结合 ,保证设计 结果更加符合运行实际 .
功率系数 C P
C P1 (计算值 ) C P2 (实测值 )
推力系数 C T
C T1 (计算值 ) C T2 (实测值 )
0. 129 7 0. 233 2 0. 336 7 0. 451 9 0. 480 1 0. 477 9 0. 452 6 0. 416 3 0. 375 8 0. 335 7 0. 297 6 0. 264 1 0. 234 0 0. 208 0 0. 185 6 0. 166 8 0. 146 1 0. 125 3 0. 115 6 0. 107 2 0. 100 6 0. 094 5
上式中 : fh =
结果是叶轮与发电机的功率匹配以及风力机载荷计 算、 静态和动态强度验算等结构设计 、 校核工作的依 据
[3]
. 目前工程中运用理论计算和模拟仿真两种方
法 . 以 位 势 流 理 论 为 基 础 的 W illson 方 法 结 合
Prandtl修正理论奠定了现代风力机工程设计的基
上式中 : ft =
轮毂损失系数为 :
某国产 1. 2 MW 变速变桨距风电机叶轮计算数 据见表 1.
表 1 1. 2 MW 叶轮设计计算参数
叶片数
3
额定风速 /
(m ・ s - 1 ) 12
设计尖 速比
8
叶轮转速 /
( r・m in - 1 ) 10 - 20
叶轮直径 /
m 62
切入风速 /
(m ・ s - 1 ) 4
风速 v
/ (m ・ s 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
-1
)
尖速比
16. 23 12. 99 10. 82 9. 27 8. 12 7. 21 6. 49 5. 90 5. 41 4. 99 4. 64 4. 33 4. 06 3. 82 3. 61 3. 42 3. 25 3. 09 2. 95 2. 82 2. 71 2. 60
1. 018 8 0. 973 4 0. 921 9 0. 860 9 0. 797 2 0. 733 3 0. 673 2 0. 617 1 0. 565 4 0. 517 2 0. 474 3 0. 434 0 0. 397 1 0. 362 9 0. 331 9 0. 303 0 0. 276 3 0. 250 6 0. 227 5 0. 205 6 0. 186 7 0. 167 5
V1 ( 1 ) 可以得到 a, b .
但由于没有考虑叶素间的影响和叶片旋转的风阻作 用 ,使计算精确性有待提高 . 为弥补不足 , 近年来在 发展修正和改进的位势流理论 , 应用纳维 — 斯托克 斯方程的计算流体力学理论的工程设计方法的同 时 ,为直观全面反映叶轮的性态 ,依据各类软件的叶 片气动性能仿真受到研究和设计领域的普遍重视 , 但存在仿真采用的模型不统一 , 仿真结果与计算结 果存在 一定 差异 等 问 题
=
・ h由下式计算 , 叶尖损
代计算得到叶片的最佳诱导系数 a, b 和 , 进而可 [3 ] 以通过上式计算出叶轮的 T、 M、 P、 CP 等 .
=
2 - f arccos ( e t ) π
B ( R - r) 2R sin <
2 叶轮气动性能计算与数值仿真分析
2. 1 叶轮设计计算参数
0. 093 7 0. 201 3 0. 328 2 0. 442 3 0. 478 6 0. 474 7 0. 444 9 0. 404 5 0. 361 0 0. 318 8 0. 279 5 0. 245 8 0. 215 8 0. 190 5 0. 168 9 0. 151 1 0. 136 0 0. 123 5 0. 112 6 0. 103 8 0. 096 3 0. 090 4
切出风速 /
(m ・ s - 1 ) 25
极限风速 / 风剪切指数 (极限风剪切
(m ・ s 59
-1
空气密度 /
( kg・m
-3
主轴倾角 /
(° ) 3°
风轮设置的
) 锥角 / ( ° 1°
风轮中心与塔架中心 之间的距离 /mm
4 500
叶尖线速度 /
(m ・ s - 1 ) 65
)
指数暴风情况 α = 0. 11) α = 0. 2
)
1. 225
第 5期
屈 圭 ,等 : 112 MW 风电机叶轮气动性能分析与仿真
525
2. 2 风能利用系数与推力系数计算
根据表 1 数据 ,取 R = 31 m ,计算出对应实际尖
速比的风能利用系数和推力系数计算值与根据实测 数据计算的计算值列入表 2.
表 2 风能利用系数与推力系数计算结果
524
暨南大学学报 (自然科学版 )
第 30 卷
验证计算 ,以便明确设计出的叶轮在工作过程中的 性能和载荷 ,如功率 、 转矩和轴向推力以及与此相对 应的风能利用系数 、 转矩系数和推力系数
[2]
h
=
2 - f arccos ( e h ) π
B ( r - rh ) 2 rh sin <
. 这些
[5]
叶轮的轴向推力 , 转矩和气动功率为 :
=
0
π ρrV 4 ∫
R
R
2 1
( 1 - a) ad r = 2 π ρ R V1 ( 1 - a ) a ( 2)
2
2
M =
0
π ρr V ω ( 1 - a ) bd r = 4 ∫
3 1 4
. 采 用 W illson 方 法 和
π ρ R V1ω ( 1 - a ) b
[1]
,当考虑叶尖和轮毂的气动损失
2 0
4 2 π ρ ( 4) R V1ω = ( 1 - a ) b 1 1 1 2 2 3 2 ρ ρ 定义 = π R V1 C , M = π R V1 CM , P = 2 2 2 2 3 π ρ R V1 CP , 可得到推力系数 C , 转矩系数 CM 和风 能利于系数 CP 的表达式 .
风力发电机叶轮设计通常分为设计计算与性能 验证两部分
[1]
的设计过程 ,这时并不清楚按照设计参数制造出的 叶片能否满足风电机的要求 . 对大功率风电机 , 在 得到叶片的几何数据后 , 必须进行叶轮的气动性能
. 根据设计理论进行截面和优化计算
得到叶片气动数据后 , 只是从要求出发完成了正向
[收稿日期 ] 2009 - 04 - 09 [基金项目 ] 广东省自然科学基金项目 ( 8151063301000004) [作者简介 ] 屈 圭 ( 1957 - ) ,男 ,副教授 ,研究方向 : 机电系统分析与综合 ,风电 、 液压气动系统设计
Biblioteka Baidu
础 ,它简单实用 ,能够在一定条件下预测出风力机风 轮的主要气动特性 , 基本满足工程设计的要求
[4]
.
式中 : rh 为轮毂半径 ; ω 为叶轮转速 ; V1 为风 速 ; R 为叶轮扫略面积半径 ; B 为叶轮的设计叶片 1- a [2 ] 数 . < 为相对风向角 , tan < = ; 叶素在最 ( 1 + b) 2 大风能利用条件下的诱导系数有关系 : b = ( 1 ωr a ) ( 4 a - 1 ) , 其中 = , r为叶素所在半径 . 结合式
第 30 卷 第 5 期 2009 年 10 月
暨南大学学报 (自然科学版 ) J ou rna l of J inan U n ive rsity ( N a tu ra l S c ience )
V ol . 30 N o. 5 O ct . 2009
112 MW 风电机叶轮气动性能分析与仿真
Aerodynam ic character istics ana lysis and sim ula tion research of 112 MW w in d turb in e genera tor rotor
时 ,叶轮的轴向和切向诱导系数 a, b可由下式计算 :
a ( 1 - a ) = b ( 1 + b) ( 1) V1
其中 CP =
2
8
2 0
b ( 1 - a) ∫
0
0
3
d
=
其中 , 设计尖速比 定 . 总气动损失系数 失系数为 :
t
0
ωR = , 可作为设计参数给
t
( 5) 2 0 b ( 1 - a ) 在最大风能利用的条件下 , 给定设计参数 B , R, 可迭
QU Gui, L IN Feng
(Departm ent of M echatronic Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510635, China)
[ Abstract] The design on w ind turbine generator rotor is usually divided into two parts: design calcu2 lation and capability validation. The high 2 power w ind generator must be given the validation of aerody2 nam ic capability after the geom etry data of the blade was obtained. Based on the theoretically calculated model, the theory calculation and p ractically data testing of 1. 2 MW turbine rotor has been m ade. And sim ulation model was established. A s a show ing result, it is necessary to enlarge the amendatory coeffi2 cient p roperly and ensure the theory design reliability during the theoretically calculating and validating . The factors on losses of the hub and tip , the effect of friction, etc is synthesized to make the function of sim ulation and validation better . The theory calculation and sim ulation must be com bined w ith the testing in the design p rocesses of rotor to ensure the design result m uch more in accord w ith the running fact . [ Key words] w ind turbine generator; w ind rotor; design parameter; sim ulation; validation
P =
0
( 3)
MATLAB / sim ulink 工具箱对 112 MW 风电机叶轮气
π ρr V ω 4 ∫
3 1
R
2
= ( 1 - a ) bd r =
动性能进行计算和仿真研究 , 并与实际运行数据对 比 ,可以对计算和仿真模型进行验证 .
1 叶轮气动性能计算的数学模型
由 W illson理论
屈 圭, 林 峰
(广东技术师范学院 机电学院 , 广东 广州 510635 ) [摘 要 ] 风力发电机叶轮设计通常分为设计计算与性能验证两部分 . 对大功率风电机 ,在得到叶片的几何数据
后 ,必须进行叶轮的气动性能验证计算 . 建立理论计算模型 ,以具体 112 MW 风电机叶轮为对象 ,进行了理论计算 和实际数据测试 ,并建立了仿真验证模型 . 结果显示 ,依据理论模型进行设计计算和验证计算时 ,要适当增大修正 系数 ,保证理论设计与实际运行结果更加接近 . 在建立大功率叶轮仿真模型时要综合轮毂和叶尖损失 ,重视摩擦等 因素的影响 ,使模型的仿真验证功能更强 . 大功率叶轮设计时必须将理论计算与仿真和试验验证相结合 ,保证设计 结果更加符合运行实际 .
功率系数 C P
C P1 (计算值 ) C P2 (实测值 )
推力系数 C T
C T1 (计算值 ) C T2 (实测值 )
0. 129 7 0. 233 2 0. 336 7 0. 451 9 0. 480 1 0. 477 9 0. 452 6 0. 416 3 0. 375 8 0. 335 7 0. 297 6 0. 264 1 0. 234 0 0. 208 0 0. 185 6 0. 166 8 0. 146 1 0. 125 3 0. 115 6 0. 107 2 0. 100 6 0. 094 5
上式中 : fh =
结果是叶轮与发电机的功率匹配以及风力机载荷计 算、 静态和动态强度验算等结构设计 、 校核工作的依 据
[3]
. 目前工程中运用理论计算和模拟仿真两种方
法 . 以 位 势 流 理 论 为 基 础 的 W illson 方 法 结 合
Prandtl修正理论奠定了现代风力机工程设计的基
上式中 : ft =
轮毂损失系数为 :
某国产 1. 2 MW 变速变桨距风电机叶轮计算数 据见表 1.
表 1 1. 2 MW 叶轮设计计算参数
叶片数
3
额定风速 /
(m ・ s - 1 ) 12
设计尖 速比
8
叶轮转速 /
( r・m in - 1 ) 10 - 20
叶轮直径 /
m 62
切入风速 /
(m ・ s - 1 ) 4
风速 v
/ (m ・ s 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
-1
)
尖速比
16. 23 12. 99 10. 82 9. 27 8. 12 7. 21 6. 49 5. 90 5. 41 4. 99 4. 64 4. 33 4. 06 3. 82 3. 61 3. 42 3. 25 3. 09 2. 95 2. 82 2. 71 2. 60
1. 018 8 0. 973 4 0. 921 9 0. 860 9 0. 797 2 0. 733 3 0. 673 2 0. 617 1 0. 565 4 0. 517 2 0. 474 3 0. 434 0 0. 397 1 0. 362 9 0. 331 9 0. 303 0 0. 276 3 0. 250 6 0. 227 5 0. 205 6 0. 186 7 0. 167 5
V1 ( 1 ) 可以得到 a, b .
但由于没有考虑叶素间的影响和叶片旋转的风阻作 用 ,使计算精确性有待提高 . 为弥补不足 , 近年来在 发展修正和改进的位势流理论 , 应用纳维 — 斯托克 斯方程的计算流体力学理论的工程设计方法的同 时 ,为直观全面反映叶轮的性态 ,依据各类软件的叶 片气动性能仿真受到研究和设计领域的普遍重视 , 但存在仿真采用的模型不统一 , 仿真结果与计算结 果存在 一定 差异 等 问 题
=
・ h由下式计算 , 叶尖损
代计算得到叶片的最佳诱导系数 a, b 和 , 进而可 [3 ] 以通过上式计算出叶轮的 T、 M、 P、 CP 等 .
=
2 - f arccos ( e t ) π
B ( R - r) 2R sin <
2 叶轮气动性能计算与数值仿真分析
2. 1 叶轮设计计算参数
0. 093 7 0. 201 3 0. 328 2 0. 442 3 0. 478 6 0. 474 7 0. 444 9 0. 404 5 0. 361 0 0. 318 8 0. 279 5 0. 245 8 0. 215 8 0. 190 5 0. 168 9 0. 151 1 0. 136 0 0. 123 5 0. 112 6 0. 103 8 0. 096 3 0. 090 4
切出风速 /
(m ・ s - 1 ) 25
极限风速 / 风剪切指数 (极限风剪切
(m ・ s 59
-1
空气密度 /
( kg・m
-3
主轴倾角 /
(° ) 3°
风轮设置的
) 锥角 / ( ° 1°
风轮中心与塔架中心 之间的距离 /mm
4 500
叶尖线速度 /
(m ・ s - 1 ) 65
)
指数暴风情况 α = 0. 11) α = 0. 2
)
1. 225
第 5期
屈 圭 ,等 : 112 MW 风电机叶轮气动性能分析与仿真
525
2. 2 风能利用系数与推力系数计算
根据表 1 数据 ,取 R = 31 m ,计算出对应实际尖
速比的风能利用系数和推力系数计算值与根据实测 数据计算的计算值列入表 2.
表 2 风能利用系数与推力系数计算结果
524
暨南大学学报 (自然科学版 )
第 30 卷
验证计算 ,以便明确设计出的叶轮在工作过程中的 性能和载荷 ,如功率 、 转矩和轴向推力以及与此相对 应的风能利用系数 、 转矩系数和推力系数
[2]
h
=
2 - f arccos ( e h ) π
B ( r - rh ) 2 rh sin <
. 这些
[5]
叶轮的轴向推力 , 转矩和气动功率为 :
=
0
π ρrV 4 ∫
R
R
2 1
( 1 - a) ad r = 2 π ρ R V1 ( 1 - a ) a ( 2)
2
2
M =
0
π ρr V ω ( 1 - a ) bd r = 4 ∫
3 1 4
. 采 用 W illson 方 法 和
π ρ R V1ω ( 1 - a ) b
[1]
,当考虑叶尖和轮毂的气动损失
2 0
4 2 π ρ ( 4) R V1ω = ( 1 - a ) b 1 1 1 2 2 3 2 ρ ρ 定义 = π R V1 C , M = π R V1 CM , P = 2 2 2 2 3 π ρ R V1 CP , 可得到推力系数 C , 转矩系数 CM 和风 能利于系数 CP 的表达式 .
风力发电机叶轮设计通常分为设计计算与性能 验证两部分
[1]
的设计过程 ,这时并不清楚按照设计参数制造出的 叶片能否满足风电机的要求 . 对大功率风电机 , 在 得到叶片的几何数据后 , 必须进行叶轮的气动性能
. 根据设计理论进行截面和优化计算
得到叶片气动数据后 , 只是从要求出发完成了正向
[收稿日期 ] 2009 - 04 - 09 [基金项目 ] 广东省自然科学基金项目 ( 8151063301000004) [作者简介 ] 屈 圭 ( 1957 - ) ,男 ,副教授 ,研究方向 : 机电系统分析与综合 ,风电 、 液压气动系统设计
Biblioteka Baidu
础 ,它简单实用 ,能够在一定条件下预测出风力机风 轮的主要气动特性 , 基本满足工程设计的要求
[4]
.
式中 : rh 为轮毂半径 ; ω 为叶轮转速 ; V1 为风 速 ; R 为叶轮扫略面积半径 ; B 为叶轮的设计叶片 1- a [2 ] 数 . < 为相对风向角 , tan < = ; 叶素在最 ( 1 + b) 2 大风能利用条件下的诱导系数有关系 : b = ( 1 ωr a ) ( 4 a - 1 ) , 其中 = , r为叶素所在半径 . 结合式
第 30 卷 第 5 期 2009 年 10 月
暨南大学学报 (自然科学版 ) J ou rna l of J inan U n ive rsity ( N a tu ra l S c ience )
V ol . 30 N o. 5 O ct . 2009
112 MW 风电机叶轮气动性能分析与仿真