旋風(fēng)力機功率譜的多工況分析

旋風(fēng)力機功率譜的多工況分析

1對旋技術(shù)的應(yīng)用隨著生態(tài)環(huán)境和能源需求的需求，風(fēng)速越來越受到重視。資料分析表明目前水平軸風(fēng)力機已經(jīng)占據(jù)了風(fēng)電機械市場97%以上的份額，然而傳統(tǒng)的風(fēng)力機都為單風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，依據(jù)貝氏理論，單排風(fēng)輪從自然界獲得的能量理論上為59.3%，而目前大多數(shù)風(fēng)機只能提取風(fēng)功率的40%或著更少，其余部分則轉(zhuǎn)化為尾流中的旋轉(zhuǎn)動能，并且這種非定常流動，對風(fēng)輪、塔架的穩(wěn)定運行造成不可避免的影響，如果能對這部分能量加以控制，并進行二次吸收利用，將會極大提高風(fēng)能利用率，并有效的保證了風(fēng)力機的穩(wěn)定運行。對旋技術(shù)是葉輪機械的高新技術(shù)之一，對提高葉輪機械性能有極大潛力，在航空領(lǐng)域一直是研究的熱點領(lǐng)域，如對轉(zhuǎn)渦輪、對轉(zhuǎn)漿扇、對轉(zhuǎn)壓氣機等。在民用領(lǐng)域，對旋風(fēng)機也逐漸顯示其優(yōu)越的性能。如果能將對旋技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力機設(shè)備，可在設(shè)備可靠性、能量利用效率等方面取得極大的收益：（1）安裝于塔架兩端的對旋風(fēng)輪所受軸向力方向相反，并且風(fēng)輪所受重力位于塔架兩端，大大降低了塔架的側(cè)向力負(fù)載，降低了塔架的建設(shè)費用；（2）支撐兩個對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中介軸承在轉(zhuǎn)軸對轉(zhuǎn)時內(nèi)外套轉(zhuǎn)向相反，可以降低了滾珠架與外套的相對轉(zhuǎn)速，從而減輕軸承磨損，提高軸承壽命；（3）轉(zhuǎn)軸對轉(zhuǎn)還使得傳到塔架的合力矩大幅降低，可以大大提風(fēng)力機的可靠性；（4）前后兩排對轉(zhuǎn)風(fēng)輪將使得切割磁力線速度大幅增加，這無疑降低了增速器的負(fù)荷，提高其壽命。目前對旋風(fēng)力機研究正處在一個剛剛起步的階段，國內(nèi)還沒有這方面的文獻供參考。正是在這種大背景下，以本實驗室雙轉(zhuǎn)子對旋風(fēng)力機為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法，通過對其性能數(shù)據(jù)和流場的分析，獲得有用信息，對了解以及優(yōu)化該風(fēng)力機提供依據(jù)。2數(shù)值計算及邊界條件研究對象是實驗室300W雙轉(zhuǎn)子對旋風(fēng)力機，其設(shè)計參數(shù)為：每排葉片數(shù)為3,R1轉(zhuǎn)速為-400r/min,R2轉(zhuǎn)速為400r/min(R1、R2分別指上游轉(zhuǎn)子和下游轉(zhuǎn)子，從進口向下游看，R1為逆時針旋轉(zhuǎn)，R2為順時針旋轉(zhuǎn)）；輪轂為等內(nèi)徑設(shè)計，半徑為75mm，兩排葉輪半徑為575mm，計算對象的三維幾何，如圖1所示。數(shù)值計算采用NUMECA軟件包，應(yīng)用有限體積法求解圓柱坐標(biāo)系下三維定常Navier-Stokes方程組。空間離散采用中心差分格式，時間項采用4階Runge-Kutta方法迭代求解，CFL數(shù)取3.0，紊流模型采用Spalart-Allmaras模型，同時采用隱式殘差光順方法以及多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂過程。邊界條件進行如下設(shè)定，即進口給定總壓（101300.0Pa）、總溫（293K）以及進口速度（軸向進氣），出口給定靜壓，各個工況進口邊界條件和轉(zhuǎn)速有所不同。計算網(wǎng)格使用NUMECA軟件包中的AUTO-GRID模塊，自動生成H-I型網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為50萬。3績效評估與培訓(xùn)3.1速度對功率特性的影響共計算了8個轉(zhuǎn)速，7種來流風(fēng)速共56個工況對旋風(fēng)力機的具體性能。雙轉(zhuǎn)子對旋風(fēng)力機多工況下的功率圖，如圖2所示。每條線代表同一轉(zhuǎn)速不同來流風(fēng)速時風(fēng)力機的功率值，虛線方框所示為風(fēng)力機的工作區(qū)域。圖中每條等轉(zhuǎn)速線的斜率均為正，表明隨著來流風(fēng)速的增大，風(fēng)力機產(chǎn)生的功率是增加的。這是因為來流中的能量呈速度的三次方增加，即使風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)有所降低，綜合下來風(fēng)力機所提取的功率仍然有所增加。不過每條等轉(zhuǎn)速線的斜率有較大差異。450r/min等轉(zhuǎn)速線的斜率趨近于1，而50rpm等轉(zhuǎn)速線的斜率幾乎為0。高低兩種轉(zhuǎn)速（u>u′），如圖3所示。來流速度逐漸增大（）情況下速度三角形示意，其中是葉片的安裝角。對比高低兩種轉(zhuǎn)速的速度三角形發(fā)現(xiàn)，在較高轉(zhuǎn)速時候，隨著來流風(fēng)速的增大，葉片有較多的時間是工作在負(fù)攻角的工況，而低轉(zhuǎn)速下葉片只有當(dāng)風(fēng)速較小時候才工作在負(fù)攻角下。由于負(fù)攻角嚴(yán)重影響翼型的性能，導(dǎo)致風(fēng)力機產(chǎn)生的功率較小甚至為負(fù)。隨著來流風(fēng)速增大，翼型的攻角趨于合理，風(fēng)力機的性能逐漸改善。基于以上分析，高等轉(zhuǎn)速線功率的變化率要大于低等轉(zhuǎn)速線。R1和R2多工況下的扭矩圖，如圖4、圖5所示。R1速度為負(fù)，扭矩為負(fù)時風(fēng)力機做正功，R2速度為正，扭矩為正時風(fēng)力機做正功。對比圖4與圖5，在工作區(qū)域內(nèi)，R1的扭矩（絕對值）略小于R2，導(dǎo)致R2產(chǎn)生的功率略大于R1。取風(fēng)力機工作區(qū)域里典型的兩點：400r/min,10m/s和100r/min,5m/s。分析這兩點葉片的進口氣流角。如圖6、圖7所示（R1,R2安裝角方向相反，所以兩者氣流角有正負(fù)之分，為方便比較對R2的氣流角取反；n400v10表示轉(zhuǎn)速為400r/min來流風(fēng)速為10m/s，其余表示類似）。不論是高轉(zhuǎn)速還是低轉(zhuǎn)速，R2進口的氣流角均小于R1，這種差距在50%葉高以下比較明顯，且越靠近葉根差距越大。氣流角越小意味著葉片的攻角越大，所以R2整個葉片的攻角略大于R1。此外，由于前后排轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，R2對R1尾跡的反向切割作用，使得上游尾跡的流動朝著下游轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向有一定漂移，這也導(dǎo)致下游轉(zhuǎn)子來流攻角進一步增大。分析翼型特性，R2的氣流角并未大到使葉片吸力面分離的程度，相反，在這種氣流角下，R2翼型的升阻比略大于R1，從而R2產(chǎn)生的功率大于R1。3.2比較合理的攻角良好的葉片設(shè)計要求翼型工作在一定的攻角范圍內(nèi)，此時翼型的性能最佳，過大或者過小的攻角將使翼型的性能有所損失。選取400r/min,100r/min兩條等轉(zhuǎn)速線上來流10m/s和5m/s兩種工況下R150%葉高處的相對速度矢量圖分析，如圖8～圖11所示，該對旋風(fēng)力機設(shè)計工況下R1的相對來流示意圖，如圖8所示。圖中翼型攻角大約為3°，吸壓力面均未形成分離，整個流場均勻穩(wěn)定，R1的氣動流態(tài)非常理想。如圖9中來流風(fēng)速減小至5m/s的時候，速度三角形發(fā)生變化，導(dǎo)致葉片工作的較大的負(fù)攻角下，翼型的壓力面形成了比較大的分離渦，翼型性能急劇下降。此時風(fēng)力機產(chǎn)生負(fù)功即風(fēng)力機對風(fēng)做功。如圖10中轉(zhuǎn)速相對圖8所示工況較低，但是來流風(fēng)速一樣，此時翼型工作在較大的正攻角下，在吸力面有很大范圍的分離渦形成，翼型的性能非常低。隨著風(fēng)速的逐漸減小，翼型的攻角也逐漸減小，如圖11所示。然而此時翼型的吸力面仍然形成了分離渦，不過遠小于圖10所示。此時葉片產(chǎn)生的功率雖然比較小，但仍然要高于其他轉(zhuǎn)速在5m/s時候的功率。此外，n100v5的工況下，風(fēng)力機產(chǎn)生的扭矩大于電機的阻力矩（約為1N·m），從而可以保證風(fēng)力機在較低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)速順利的起動。對旋風(fēng)力機工作區(qū)域里的點效率都是比較高的，在這些點上，翼型工作在比較合理的攻角以內(nèi)，性能得以保證。工作區(qū)域以外的點，由于速度三角形與翼型不匹配，翼型偏離合理攻角范圍，這些點不僅對風(fēng)力機的氣動性能有較大的影響，同時會造成結(jié)構(gòu)上的額外的負(fù)擔(dān)。4來流風(fēng)速對風(fēng)力機性能的影響對雙轉(zhuǎn)子對旋風(fēng)力機進行了56個工況的詳細(xì)數(shù)值計算模擬，得到了這些工況下的風(fēng)力機性能數(shù)據(jù)。通過對多工況風(fēng)力機性能分析以及典型工況S1面的流譜分析，這里認(rèn)為：(1）等轉(zhuǎn)速的時候，隨著來流風(fēng)速的增加，風(fēng)力機產(chǎn)生的功率增加。(2）不同的功率等轉(zhuǎn)速線斜率差距較大。高等轉(zhuǎn)速線比低等轉(zhuǎn)速線的斜率大，