文檔風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為兩類

其一是水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片安裝在水平軸上，葉片接受風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)去驅(qū)動(dòng)所要驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。水平軸風(fēng)力機(jī)分多葉片低速風(fēng)力機(jī)和1-3個(gè)葉片的高速風(fēng)力機(jī)。

其二是垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪軸是垂直布置的，葉片帶動(dòng)風(fēng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)再驅(qū)動(dòng)所要驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式，而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率低、需啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)還有些技術(shù)問題尚待解決。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、風(fēng)輪軸、低速聯(lián)軸器、增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、制動(dòng)器等組成。

有外電源；當(dāng)采用液壓制動(dòng)器時(shí)，院需外電源外，還需泵站、電磁閥、液壓油缸及管路等。

5．發(fā)電機(jī)

葉片接受風(fēng)能而轉(zhuǎn)動(dòng)最終傳給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。

6.塔架

塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支架。塔架有鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式。同時(shí)塔架又分為硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有頻率大于kn，其k為葉片數(shù)．n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)數(shù)；柔塔的固有頻率在kn和n之間；甚柔塔的固有頻率小于n。

為防止鋼制塔架生銹，往往對(duì)鋼制塔架熱鍍鋅。

7.調(diào)速裝置

風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置。

當(dāng)風(fēng)速超過停機(jī)風(fēng)速時(shí)，調(diào)速裝置會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。

8.調(diào)向裝置

調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向有很多種形式。

空氣動(dòng)力學(xué)

Bladed提供的葉輪空氣動(dòng)力學(xué)模型是基于著名的葉素理論和動(dòng)量理論[2.1]的組合。這種理論的兩個(gè)主要擴(kuò)展功能在本軟件中作為選項(xiàng)提供以處理空氣動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定特性，第一種擴(kuò)展功能用于處理尾渦的動(dòng)態(tài)特性，第二種擴(kuò)展功能是通過應(yīng)用失速延遲模型提供動(dòng)態(tài)失速的表示法。

以下各節(jié)給出了Bladed中所提供的葉輪空氣動(dòng)力學(xué)處理方法的各個(gè)方面的理論背景。

2.1葉素理論和動(dòng)量理論的組合

Bladed所提供的空氣動(dòng)力學(xué)模型的核心是葉素理論和動(dòng)量理論的組合，葉輪空氣動(dòng)力學(xué)的這種處理特點(diǎn)描述如下：

2.1.1致動(dòng)圓盤模型

為有助于葉素和動(dòng)量理論合成的理解，最初通常將葉輪視為一個(gè)‘致動(dòng)圓盤’，雖然這個(gè)模型過于簡(jiǎn)化，但卻有助于理解葉輪的空氣動(dòng)力學(xué)。

風(fēng)通過葉輪掃掠表面時(shí)，在葉輪前后產(chǎn)生靜態(tài)壓差，風(fēng)力機(jī)因此而吸收能量。當(dāng)氣流接近葉輪時(shí)，其速度逐漸降低，靜態(tài)壓力增大。在通過葉輪平面時(shí)靜壓降低，導(dǎo)致葉輪后面的氣壓低于大氣壓力。隨著空氣繼續(xù)流向下游，壓力要上升到大氣壓力，就使風(fēng)速進(jìn)一步降低。因此風(fēng)輪前后風(fēng)的動(dòng)能有一個(gè)差值，這其中的一部分被風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。

在上述過程的致動(dòng)圓盤模型中，葉輪盤面上的風(fēng)速Ud與上游風(fēng)速Uo的關(guān)系為：

顯然葉輪盤面上風(fēng)速的降低值取決于a的大小，a稱為軸向誘導(dǎo)因子或入流因子。

應(yīng)用伯努利方程，并假設(shè)氣流是均勻的和不可壓縮的，則葉輪吸收的功率P可表示為：

這里為空氣密度，A為葉輪掃風(fēng)面積。

同樣可推導(dǎo)出作用在葉輪上推力T：

無量綱的功率系數(shù)CP

和推力系數(shù)CT

分別為：

當(dāng)a為1/3

時(shí)，功率系數(shù)CP

具有最大值且等于16/27，即貝茲極限。

當(dāng)a為1/2時(shí)，推力系數(shù)CT具有最大值1。

2.1.2尾渦旋

以上用到的致動(dòng)圓盤原理在估算從風(fēng)中吸收的能量時(shí)沒有把葉輪所吸收的能量視為葉輪力矩Q與角速度

的乘積。由于葉輪在吸收力矩的同時(shí)必然要對(duì)風(fēng)施加一個(gè)等值反向的力矩，因而導(dǎo)致氣流的切向流動(dòng)。切向流動(dòng)速度的變化用切向誘導(dǎo)因子a’表示，葉輪盤面上游切向流動(dòng)速度為0，葉輪盤面上半徑r處的切向速度是ra’，下游遠(yuǎn)處切向速度是2ra’。因?yàn)榍邢蛩俣鹊漠a(chǎn)生是葉片力矩的反作用，因此其速度方向與葉片運(yùn)動(dòng)方向相反。

葉輪所產(chǎn)生的力矩等于角動(dòng)量的變化率，并可求得為：

2.1.3葉素理論

葉素理論和動(dòng)量理論的組合是上述致動(dòng)圓盤理論的擴(kuò)展。把葉輪葉片分成很多葉素，上述理論不是用于整個(gè)葉輪圓盤，而是用于由每個(gè)葉素掃掠成的一系列環(huán)形，并假設(shè)它們的作用與單個(gè)圓盤的相同。在每個(gè)徑向位置，軸向動(dòng)量和角動(dòng)量的變化率與單個(gè)葉素所產(chǎn)生的推力和力矩相同。

半徑r處長度為dr的葉素產(chǎn)生的推力dT為：

這里W為葉素處相對(duì)風(fēng)速矢量的大小，

是入流角，定義為相對(duì)風(fēng)速矢量與葉片旋轉(zhuǎn)面的夾角，c是葉素的弦長，CL和CD分別是升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

對(duì)一種翼型來說，升力和阻力系數(shù)定義為：

和

這里L(fēng)和D是升力和阻力，S是翼型的平面形狀面積，V是相對(duì)于翼剖面的風(fēng)速。

半徑r處長度為dr的葉素產(chǎn)生的力矩dQ為：

為了求出適合于特定葉素徑向位置的的軸向和切向流動(dòng)誘導(dǎo)因子，把該葉素所產(chǎn)生的推力和力矩視為等同于穿過這個(gè)葉素所掃掠的環(huán)形面的軸向和角向動(dòng)量變化率，應(yīng)用類似于上述2.1.1和2.1.2節(jié)中由致動(dòng)圓盤得到的對(duì)軸向和角向動(dòng)量的表述，環(huán)向誘導(dǎo)因子可表示為：

和

其中

及

這里B是葉片數(shù)，F(xiàn)是考慮葉尖和輪轂損失的因子，參見2.1.4節(jié)。

參數(shù)H定義如下：

若

若

在軸向誘導(dǎo)因子a大于0.5的情況下，葉輪受重載，并運(yùn)行在所謂的“擾動(dòng)尾流狀態(tài)”。在這種情況下，2.1.1節(jié)中的致動(dòng)圓盤理論就不適用了，所得出的推力系數(shù)表達(dá)式：

必須用以下經(jīng)驗(yàn)公式替換：

Bladed中葉素理論的實(shí)現(xiàn)是基于這樣的策略，即當(dāng)a的值大于0.3539并超過0.5就轉(zhuǎn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這種策略使得在兩種流動(dòng)狀態(tài)的模型轉(zhuǎn)換更平緩。

上述有關(guān)a和a’的方程只能迭代求解。其過程是先假設(shè)a和a’的初始估計(jì)值，參數(shù)g1和g2作為a和a’

的函數(shù)可以計(jì)算出來，然后利用上述方程去更新a和a’的值，這個(gè)過程一直持續(xù)到a和a’收斂，在Bladed

中收斂假定為當(dāng)：

和

這里tol是用戶指定的空氣動(dòng)力容許偏差。

2.1.4葉尖和輪轂損失模型

風(fēng)機(jī)葉輪的尾渦是由每個(gè)葉片所形成的旋渦狀螺旋層所構(gòu)成的，因此在葉輪圓盤某個(gè)固定點(diǎn)的誘導(dǎo)速度隨時(shí)間不是定值，而是在每個(gè)葉片通過時(shí)就發(fā)生波動(dòng)。這種螺旋層的螺距越大，葉片數(shù)目越少，誘導(dǎo)速度波動(dòng)的幅值就越大?？傮w影響是減少了凈動(dòng)量的變化量，因而吸收的功率也下降了。如果誘導(dǎo)因子a定義為一個(gè)葉片通過葉輪圓盤上某一給定點(diǎn)瞬時(shí)的值，那么該點(diǎn)經(jīng)歷一轉(zhuǎn)的行程的平均誘導(dǎo)因子就是aFt

，其中Ft是一個(gè)小于1的系數(shù)。

與飛機(jī)翼尖處的情形相同，由于尾渦的影響，在葉尖處的環(huán)量減為零。因此在葉尖處因子Ft變?yōu)榱?。由于類似于飛機(jī)機(jī)翼，其損失是由翼尖拖曳的渦流引起的，所以Ft稱為葉尖損失因子。

Prandtl[2.2]在螺旋推進(jìn)器理論中提出了一種處理這種影響的方法。他推論,在遠(yuǎn)處的尾渦中，螺旋渦流層可能由若干實(shí)體圓盤取代，其螺距是固定的且與渦流層相繼旋轉(zhuǎn)之間的正常間隔相同，并以尾渦的速度向下游移動(dòng)。

尾渦外邊的流速是自然氣流的速度值，因而要比圓盤的速度更快。在圓盤的邊緣，快速流動(dòng)的自然氣流迂回流動(dòng)在邊緣內(nèi)外，因此使得圓盤之間的平均軸向速度要比圓盤本身的高，從而模擬動(dòng)量變化中的減少量。

因子Ft可以表示成閉合解的形式：

其中s是距葉片尖端徑向位置的距離，而d是相繼螺旋層之間的距離。

葉片根部也出現(xiàn)類似的損失。象在葉尖一樣，葉根處的邊界環(huán)量必定降為0，因此渦流一定被拖曳進(jìn)尾渦中。所以計(jì)算單獨(dú)輪轂損失因子Fh，那么葉片任何位置處的有效總損失因子便是兩者的乘積：

象在以上2.1.3節(jié)中說明的一樣，合成的葉尖和輪轂損失因子被合并在葉素理論的方程中。

2.2尾渦模型

2.2.1

均衡尾渦

葉素理論用于風(fēng)力機(jī)特性的時(shí)域動(dòng)力學(xué)模擬傳統(tǒng)上是基于這樣的假設(shè)，尾渦對(duì)葉片受載的變化反應(yīng)是同時(shí)的。這種稱之為均衡尾渦模型的處理方式中包括復(fù)算每個(gè)葉片中每個(gè)葉素上的和動(dòng)力學(xué)模擬的每個(gè)時(shí)間步長中的軸向和切向誘導(dǎo)因子。基于這樣的處理，所求出的沿著每個(gè)葉片的誘導(dǎo)速度是針對(duì)特定流動(dòng)條件和每個(gè)葉片的每個(gè)葉素所經(jīng)歷的加載過程的瞬時(shí)解。

顯然，在葉素理論的這種解釋中，在特定葉素上的軸向和切向誘導(dǎo)速度將隨時(shí)間而變化并且在葉素的掃掠面內(nèi)也不是常數(shù)。

葉素理論的均衡尾渦處理是這里描述的三種處理方式中對(duì)計(jì)算要求最苛刻的。

2.2.2

凍結(jié)尾渦

在凍結(jié)尾渦模型中，是將葉素理論用于一種均勻風(fēng)場(chǎng)來計(jì)算軸向和切向誘導(dǎo)速度的，該均勻風(fēng)場(chǎng)中的風(fēng)速為模擬風(fēng)況下平均輪轂高度處的風(fēng)速。因而這種根據(jù)平均、均勻的氣流條件計(jì)算出的誘導(dǎo)速度被假設(shè)為固定的，或說相對(duì)時(shí)間而言是凍結(jié)的。這種誘導(dǎo)速度沿著葉片從一個(gè)葉素到另一個(gè)葉素是變化的，而在又葉素掃出的環(huán)面內(nèi)卻是常數(shù)。結(jié)果每個(gè)葉片都經(jīng)歷同樣的誘導(dǎo)流動(dòng)的徑向分布狀態(tài)。

重要的是要注意到在時(shí)間上凍結(jié)的是軸向和切向誘導(dǎo)速度aUo和a’r而不是它們的誘導(dǎo)因子a和a’。

2.2.3

動(dòng)力學(xué)尾渦

如上所述，均衡尾渦模型假設(shè)尾渦因此連同誘導(dǎo)速度流場(chǎng)對(duì)葉片受載的變化即刻就有反應(yīng)。另一方面，凍結(jié)尾渦模型假設(shè)誘導(dǎo)流場(chǎng)完全獨(dú)立于有關(guān)風(fēng)況和葉片受載的變化。嚴(yán)格說來，在現(xiàn)實(shí)中這些處理方式都不恰當(dāng)。葉片受載的變化會(huì)改變被拖曳進(jìn)葉輪尾渦中的渦旋狀態(tài)，而這些變化的全部影響需用一定的時(shí)間來改變誘導(dǎo)流場(chǎng)。與這個(gè)過程有關(guān)的動(dòng)態(tài)特性通常被稱之為“動(dòng)力入流”。

動(dòng)力入流的研究始于近40年前的直升機(jī)范疇內(nèi)。簡(jiǎn)要地說，該理論提供了一種手段來描述受載葉輪上誘導(dǎo)流場(chǎng)的動(dòng)力相關(guān)性。Bladed中運(yùn)用的動(dòng)力入流模型是基于Pitt和Peters[2.3]的工作，在直升機(jī)領(lǐng)域，他們的工作已被得到了公認(rèn)，如可參見Gaonkar等人的文章[2.4]。

Pitt和Peters模型最初是針對(duì)一個(gè)假設(shè)的致動(dòng)圓盤提出的，該假設(shè)是關(guān)于穿過圓盤的入流分布。在Bladed中該模型被用在葉素或致動(dòng)環(huán)形平面上，因?yàn)檫@樣就消除了任何關(guān)于穿過圓盤的入流分布的假設(shè)。

對(duì)于一個(gè)由半徑R1和R2界定，經(jīng)受速度為風(fēng)速Uo的均勻軸向流的葉素來說，其單元推力dT可表示為：

其中m是通過環(huán)面的質(zhì)量流，mA是作用在其上的視在質(zhì)量，而a為軸向誘導(dǎo)因子。

通過環(huán)面單元的質(zhì)量流由下式給出：

其中dA是環(huán)面的截面積。

對(duì)于半徑為R的圓盤，其視在質(zhì)量由勢(shì)能理論近似地給出（Tuckerman,[2.5]）:

因此，和環(huán)面相關(guān)的推力系數(shù)可以導(dǎo)出如下：

這個(gè)微分方程因此可以用來替換葉素和動(dòng)量理論方程以計(jì)算軸向入流。對(duì)時(shí)間步長積分這個(gè)方程就得到了每個(gè)葉片上每個(gè)葉素的入流與時(shí)間相關(guān)的值。用通常的方式便求得切向入流，并且切向入流隨與時(shí)間相關(guān)的軸向值而定。顯然，這個(gè)方程把時(shí)間延遲引入到依賴于徑向位置的入流計(jì)算。

這樣計(jì)算的每個(gè)葉素的時(shí)間延遲的值很可能會(huì)稍微低估動(dòng)力入流的影響，因?yàn)閷?duì)每個(gè)葉素未考慮其尾渦的三維特性或葉尖旋渦可能的主要影響而單獨(dú)進(jìn)行處理。然而，這種處理卻和葉素理論是一致的并且提供了一種簡(jiǎn)單、計(jì)算開銷不大而又相當(dāng)可靠的葉輪尾渦的動(dòng)力學(xué)建模與誘導(dǎo)速度流場(chǎng)建模方法

2.3穩(wěn)態(tài)失速

人們對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的風(fēng)離機(jī)葉片失速的表示方式，甚至從某種程度上來講，對(duì)它的一般理解還很貧乏?？紤]到失速調(diào)節(jié)在風(fēng)能工業(yè)中的重要性，這算是一種異常情況。

由于附加流場(chǎng)的三維性，在葉片內(nèi)側(cè)的失速延遲已通過模型和全比例的測(cè)量而普遍地認(rèn)可。為了糾正二維翼型數(shù)據(jù)以考慮失速延遲，人們已經(jīng)建立起許多半經(jīng)驗(yàn)性的模型[2.6,2.7]。盡管這樣的模型用來調(diào)節(jié)葉輪失速的設(shè)計(jì)分析，但目前它們?cè)诟魇礁鳂拥囊硇徒孛婧腿~輪構(gòu)型上的有效應(yīng)用卻相當(dāng)缺乏。因此Bladed用這些模型修改翼型數(shù)據(jù)來處理失速延遲，但是用戶顯然能夠應(yīng)用任何他信任的翼型數(shù)據(jù)的修正方式，因?yàn)闊o論哪種方式都要適當(dāng)優(yōu)先于他向程序輸入。

2.4動(dòng)態(tài)失速

失速及其后果對(duì)大多數(shù)空氣動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行從根本上來說都是重要的。多數(shù)常規(guī)的航空應(yīng)用是通過在所用任一翼型的靜態(tài)失速角之下適當(dāng)?shù)夭僮鱽肀苊馐俚?。然而直升機(jī)和失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)卻是在至少部分葉片失速的狀況下運(yùn)行的。甚至失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速時(shí)還依靠翼型的失速性能來限制葉輪的最大功率輸出。

某種程度的不穩(wěn)定性總是伴隨著流過大攻角翼型上的紊流。經(jīng)歷著不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的升力表面的失速要比靜態(tài)失速更為復(fù)雜。

在一個(gè)其傾角迅速增加的振蕩翼型上，失速的發(fā)生可以延遲到傾角大大超過靜態(tài)失速角。然而，當(dāng)動(dòng)態(tài)失速未出現(xiàn)時(shí)，這種情況比靜態(tài)失速更為劇烈。伴隨而來的空氣動(dòng)力與扭矩相對(duì)于瞬時(shí)攻角顯得嚴(yán)重滯后，尤其是振動(dòng)的平均角接近靜態(tài)失速角時(shí)。這與準(zhǔn)靜態(tài)情況形成鮮明的對(duì)照，對(duì)后者流場(chǎng)迅速而唯一地對(duì)傾角的每種變化作出調(diào)整。

人們已經(jīng)研究出了眾多預(yù)測(cè)翼型斷面的動(dòng)態(tài)失速的方法，但主要是用于直升機(jī)工業(yè)。

用以包括翼型的非穩(wěn)態(tài)性能的模型是歸因于Beddoes[2.8]。Beddoes模型的研制是用于直升機(jī)水平旋翼的性能計(jì)算并已公式化多年，尤其在直升機(jī)水平旋翼翼型斷面的的風(fēng)洞測(cè)試方面。它已經(jīng)被Harris

[2.9]

和Galbraith

等人[2.10]成功地用在水平軸風(fēng)力機(jī)性能預(yù)測(cè)上。

Bladed中使用的模型是改進(jìn)的Beddoes模型的，它已由幾種失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)的測(cè)試所證實(shí)。該模型應(yīng)用了在[2.8]中描述的方法的下列原理來計(jì)算非穩(wěn)定升力系數(shù)。

?附著流建模的直屬響應(yīng)函數(shù)

?尾跡邊緣分離與旋渦升力建模的時(shí)間延遲Kirchoff

公式

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)邊緣分離模型不合適用于水平軸風(fēng)力機(jī)，在該機(jī)型中，由于漸次尾跡邊緣失速，占主導(dǎo)地位的是翼型特征。

在Bladed中實(shí)現(xiàn)的模型內(nèi)部，尾跡邊緣分離發(fā)展中的時(shí)