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流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電葉片作用特性研究

文檔作者： Muhammad Aqeell，高延偉2，李永強(qiáng)3，劉青1，張照煌1 文檔來(lái)源： 1．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 2．中國(guó)建筑出版社 3．山西省忻州市滹沱河水利管理局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月05日
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第15卷第6期中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)v。1．15 N。．6
2017年12月Journal of China Institute of Water Resources and Hvdropower Research December，2017
文章編號(hào)：1672—3031(2017)06—0425—05
流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電葉片作用特性研究
Muhammad Aqeell，高延偉2，李永強(qiáng)3，劉青1，張照煌1
(1．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2．中國(guó)建筑出版社，北京100037；
3．山西省忻州市滹沱河水利管理局，山西忻州034000)
摘要：流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電葉片作用特性是風(fēng)力發(fā)電葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域研究的難題。長(zhǎng)期以來(lái)以
動(dòng)量一葉素理論為基礎(chǔ)，以流過(guò)風(fēng)力發(fā)電葉片空氣流場(chǎng)為對(duì)象，相繼建立了葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的Schmitz方法、Clauert
方法、wilson方法和cFD方法等。但流經(jīng)葉片過(guò)程中的空氣對(duì)葉片作用的特性仍有許多問(wèn)題需要亟待解決和深入
研究。為此，論文應(yīng)用伯努利方程推導(dǎo)了環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)傳遞給風(fēng)輪的能量計(jì)算解析式；應(yīng)用
動(dòng)量矩原理推導(dǎo)了環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)作用在風(fēng)輪上的力矩解析式；提出了流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣向
風(fēng)輪釋放功率的解析式，從而發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪正常工作時(shí)，流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣向風(fēng)輪釋放的功率等于環(huán)狀空氣流量、
空氣密度、環(huán)緣處風(fēng)輪的牽連運(yùn)動(dòng)速度及環(huán)緣處流出空氣的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在此點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度方向上投影的連乘
積。為葉片截面輪廓曲線(xiàn)后邊緣特征參數(shù)設(shè)置提供了參考。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電葉片；伯努利方程；動(dòng)量矩原理
中圖分類(lèi)號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10．13244，j．cnki．jiwhr．2017．06．003
1 研究背景
風(fēng)力發(fā)電葉片是捕獲風(fēng)能并將之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件，其氣動(dòng)外形對(duì)實(shí)現(xiàn)這一功能具有至
關(guān)重要的作用，因此，一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)理論的研究都非常重視。文獻(xiàn)[1]根
據(jù)風(fēng)力發(fā)電葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同將風(fēng)力發(fā)電葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)分為以風(fēng)能利用系數(shù)(c。)最大或者年
能量輸出(Annual Energy Production，AEP)最大為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；以能量成本(cost of Energy，
c0E，風(fēng)力機(jī)總成本C與年能量輸出AEP的比值)最小為目標(biāo)及多學(xué)科、多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)
電葉片優(yōu)化目標(biāo)確定后，一般采用動(dòng)量一葉素理論。2。、Schmitz方法”1、Glauert方法”1或wilson方法”。
等對(duì)之實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)，而后輔之以葉片外形修正以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求‘6。。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以Na—
vier-stokes(N—s)方程為基礎(chǔ)的計(jì)算流體力學(xué)(computational F1uid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)cFD)法等應(yīng)用于風(fēng)
力發(fā)電葉片優(yōu)化已逐漸受到人們的重視"11。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，無(wú)論建立什
么模型、采用哪種優(yōu)化方法，一般步驟是：首先選定葉片總體參數(shù)(如：額定功率P，葉片數(shù)曰，風(fēng)
能利用系數(shù)C，，葉尖速比入，設(shè)計(jì)風(fēng)速％，機(jī)電效率叼，空氣密度p，風(fēng)輪直徑D，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n等)；
然后將葉片分段，設(shè)定葉素，選擇對(duì)應(yīng)翼型，即確定翼型沿葉片展向的布置；最后，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，
選定的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。91。優(yōu)化設(shè)計(jì)變量一般是①弦長(zhǎng)、扭角(或槳矩角。1叫)；②弦長(zhǎng)、扭
角、槳矩角¨“；③弦長(zhǎng)、扭角、葉尖線(xiàn)速度和葉尖速比‘1“；④外形參數(shù)、翼型特征、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和
葉尖槳矩角【1“；⑤更多¨41等。從中可看出對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般不包括葉片截面輪廓
曲線(xiàn)特征參數(shù)的優(yōu)化，因?yàn)槿~片截面輪廓曲線(xiàn)是通過(guò)選擇翼型確定的，國(guó)外常用風(fēng)力發(fā)電葉片專(zhuān)用
翼型有[15。1“：NREL的s系列翼型、Du系列翼型、Ris仍系列翼型和FFA系列翼型等。因商業(yè)保密等原
因，國(guó)內(nèi)葉片廠(chǎng)商很難得到這些翼型的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般靠測(cè)繪仿制。因此，對(duì)流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電
收稿日期：2016一05—26
作者簡(jiǎn)介：Muhammad Aqeel(1985一)，男，巴基斯坦，博士生，主要從事可再生能源高效利用理論與技術(shù)等方面的研究。
E一瑚ail：maqeell@qq．(’om
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
流動(dòng)空氣與鋒利發(fā)電葉片作用特性研究Muhammad Aqeel高延偉李永強(qiáng)劉青張照煌
葉片作用理論進(jìn)行研究就顯得非常重要。文中通過(guò)對(duì)流經(jīng)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪空氣建模，應(yīng)用伯努利方程
推導(dǎo)出環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)傳遞給風(fēng)輪的能量計(jì)算解析式；應(yīng)用動(dòng)量矩原理推導(dǎo)出環(huán)
狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)作用于風(fēng)輪上的力矩解析式；通過(guò)對(duì)導(dǎo)出的解析式的分析，提出了
流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣向風(fēng)輪釋放的功率的解析式，從而發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪正常工作時(shí)，流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣
向風(fēng)輪釋放的功率等于環(huán)狀空氣流量、空氣密度、環(huán)緣處風(fēng)輪的牽連運(yùn)動(dòng)速度及環(huán)緣處流出空氣的
絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在此點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度方向上的投影的連乘積。從而為葉片截面輪廓曲線(xiàn)后緣特征參數(shù)
設(shè)置提供了依據(jù)。
2風(fēng)輪的能量表達(dá)式
以葉片半徑為r、在半徑方向長(zhǎng)為6fr的圓環(huán)狀流體為研究對(duì)象(見(jiàn)圖1所示)。設(shè)空氣流人葉片的
初始絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、初始相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、初始牽連運(yùn)動(dòng)速度、初始?jí)毫δ茴^和空氣相對(duì)于零位能面
的高度分別為瓦、瓦、i、p，和z。，相應(yīng)的，空氣流出葉片的初始絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、初始相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、
初始牽連運(yùn)動(dòng)速度初始?jí)毫δ茴^、和空氣相對(duì)于零位能面的高度分別為”：、訓(xùn)：、u：、p：和z：，此過(guò)程
中的能量損失為Σ允?？諝鈩偭魅肴~片間的能量E。為，
牛礦囂+若(1)
空氣剛從葉片間流出的能量E：為，
即礦等+若(2)
考慮此過(guò)程中的能量損失Σ^，則圓環(huán)狀流體輸送給風(fēng)輪的能量E為：
E=El—E2一Σ矗(3)
將式(1)和(2)代入式(3)并整理，得：
E=(rz：)十等+等一Σ危(4)
在葉片間流動(dòng)的空氣，遵循伯努力方程，即：
”毒+若剮：+等+號(hào)+Σ^ ㈦
現(xiàn)在假設(shè)給風(fēng)輪一個(gè)大小與其轉(zhuǎn)速相等、旋轉(zhuǎn)方向與其相反的轉(zhuǎn)速，則相當(dāng)于在剛流人葉片問(wèn)
的單位重量的流體上加了一負(fù)能量苦，在剛要流出葉片間的單位重量的流體上加了一負(fù)能量專(zhuān)，則
式(5)的能量轉(zhuǎn)換還可寫(xiě)為：
”等+等～等≈：十等+等一號(hào)+Σ^ c6，
將式(6)代入式(4)并整理，得
肚尋+警一等㈩
考慮環(huán)域內(nèi)有：u。=u：，所以式(7)可表示為： EE=：lF≮三一蘭—一-_半二 (8)
由圖中△ABc得，陽(yáng)12=H?+∞?=u；+可。2代入式(8)并整理，得： E：蘭掣E=—L_：』一 ((99))
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
流動(dòng)空氣與鋒利發(fā)電葉片作用特性研究Muhammad Aqeel 高延偉李永強(qiáng)劉青張照煌
6
|
| 八
§裂一￡一
／
7
1．風(fēng)及風(fēng)速：
2．風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪；
3．輪轂；
4．風(fēng)力發(fā)電葉片；
5．空氣環(huán)；
6．風(fēng)力發(fā)電葉片背風(fēng)面曲線(xiàn)
7．空氣流出風(fēng)輪速度三角形
8．風(fēng)力發(fā)電葉片迎風(fēng)面
Il，J發(fā)}UM輪俯眥㈩
圖1 流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電葉片相互作用分析示意圖
此即所考察的環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)傳遞給風(fēng)輪的能量。由此可看出，環(huán)狀流動(dòng)空
氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)傳遞給風(fēng)輪的能量只與此環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流出風(fēng)輪的狀態(tài)有關(guān)，即，只與此
環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流出風(fēng)輪的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、牽連運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，且隨空氣相對(duì)于風(fēng)
力發(fā)電葉片運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度的平方的增加而增加，隨該點(diǎn)的牽連運(yùn)動(dòng)速度平方和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度平方
的增加而減小。
3風(fēng)輪的力矩表達(dá)式
流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)輪過(guò)程中，其與風(fēng)力發(fā)電葉片的相互作用滿(mǎn)足動(dòng)量矩定理。
剛流入風(fēng)輪時(shí)對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的動(dòng)量矩M．為：
Ml=F×(p27crdrf"1)=o
式中：p為空氣密度；Z為r處葉片寬度。
環(huán)域內(nèi)空氣剛流出風(fēng)輪時(shí)對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的動(dòng)量矩M：為：
M2=i×(P27crdrf口2)=o
由圖1可得，M，的大小M，為： M：=p2冗rdrf”：rc。s(瓦，夏)=p2兀rdrf”：r!寄
設(shè)考察環(huán)域內(nèi)空氣
(10)
(12)
式中各符號(hào)意義同前。
假設(shè)環(huán)域空氣流過(guò)葉片寬度z的時(shí)間為￡，根據(jù)動(dòng)量矩原理，環(huán)域內(nèi)空氣對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩M為
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流動(dòng)空氣與鋒利發(fā)電葉片作用特性研究Muhammad Aqeel高延偉李永強(qiáng)劉青張照煌
M：生當(dāng)：P掣v窖蘭蔓硝，墮害王?)
f ￡
二“2"2 二“2
式中：q為環(huán)域內(nèi)空氣流量；其它符號(hào)意義同前。
此即所考察的環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)作用于風(fēng)輪上的力矩。由此可看出，環(huán)狀流動(dòng)
空氣流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪時(shí)作用于風(fēng)輪上的力矩除與空氣自身的密度、空氣流量和考察點(diǎn)半徑有關(guān)
外，就只與此環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流出風(fēng)輪的狀態(tài)有關(guān)，即，只與此環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流出風(fēng)輪的絕對(duì)運(yùn)
動(dòng)速度、牽連運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。
4風(fēng)輪的功率表達(dá)式
式(9)給出的能量是以水頭表示的，所以其對(duì)應(yīng)的功率Ⅳ，為： ⅣF：印gg：竺警Pg (14)
式(13)給出的功率Ⅳ?？杀硎緸椋?Ⅳ舸：彤(tJ：胖2r竺掣∞：_pq竺掣(15) M劃舭胖2r二斧帖_pq』f ?’
式中叫為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；其它符號(hào)意義同前。
比較式(14)、(15)發(fā)現(xiàn)，流過(guò)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪的空氣，無(wú)論從能量的角度進(jìn)行分析，還是從動(dòng)量
矩定理進(jìn)行分析，流動(dòng)空氣傳遞給風(fēng)輪的功率的表達(dá)式都完全一致。即，只與此環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流
出風(fēng)輪的狀態(tài)有關(guān)，具體來(lái)說(shuō)，也就是只與此環(huán)狀流動(dòng)空氣剛流出風(fēng)輪的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、牽連運(yùn)動(dòng)
速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。
根據(jù)圖1中△EFG，由余弦定理，得
加加；2==““2；+移+移2一；一z“2“2穢：2穢co：scloⅡs(2乏，，穢五2)J L(1l6o，)
將式(16)代入式(14)或式(15)，得
Ⅳ=Ⅳg=Ⅳ^f=一pqu2口2coslu2，。2} (17)
式(17)表示，風(fēng)輪正常工作，流動(dòng)空氣流出風(fēng)輪葉片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與該點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度的夾
角必為鈍角；流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣向風(fēng)輪釋放的功率等于環(huán)狀空氣流量、空氣密度、環(huán)緣處風(fēng)輪的
牽連運(yùn)動(dòng)速度及環(huán)緣處流出空氣的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在此點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度方向上投影的連乘積。
5結(jié)論
通過(guò)分析流經(jīng)風(fēng)電葉片間的能量流和動(dòng)量矩的傳遞發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)空氣與風(fēng)力發(fā)電葉片間的相互作
用如下：(1)環(huán)狀流動(dòng)空氣流過(guò)風(fēng)輪過(guò)程中，若向風(fēng)輪傳遞功率，其流出風(fēng)輪葉片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與
該點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度的夾角必為鈍角；(2)流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣向風(fēng)輪釋放的功率等于環(huán)狀空氣流量、
空氣密度、環(huán)狀空氣從葉片后緣流出的牽連運(yùn)動(dòng)速度及其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度在此點(diǎn)牽連運(yùn)動(dòng)速度方向上
投影的連乘積；(3)改變風(fēng)力發(fā)電葉片迎風(fēng)面后緣曲線(xiàn)切線(xiàn)角(相當(dāng)于改變空氣從風(fēng)力發(fā)電葉片后緣
流出角)，可改變流過(guò)風(fēng)輪的環(huán)狀空氣傳遞給風(fēng)輪的功率。
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Study on characteristics of the interaction between nowing air and wind turbine blade
Muhammad Aqeel。， GAo Yanwei2， LI Yongqianf， LIu Qin91，zHANG zhaohuan91
(1．School《Energy P0wer oRd Mechonicoz Engineertng，～onh chtn8 Ekc￡rtc Po蜘er Un抽ersi姆，Be電tng 102206，Chino；
2．C^inese口rc充眺cfur口Z p陽(yáng)5s， Be盯ing 100037， C矗inⅡ；
3．HufⅡo^e Ri口er Bns脅緲口ler Resource5 Mnnngemen￡曰ure口u礦5^nnxi Pro"ince， Xinz^oⅡ 034000， C^in。)
Abstract： The characteristic of interaction between nowing air and wind turbine blade is the foundation in
the wind turbine blade design and has been a dimcult problem in the wind power generation． For a long
time， taking the air now field of wind turbine blades as the objective and on the basis of momen—
tum—blade element lheorv， the Schmitz method， Glauert method， Wilson method and CFD memod have
been established to optimize the balde design． However， still a lot of problems need fu rther improvement
and study in view of the characteristics of the effect of air on blades during the air nowing through blades．
Therefore， the analytical formula of energy transferred from annular nowing air to rotor was proposed based
on Bernoulli equation， the analvtical fbrmula of torque on the rotor under the annular flow situation was
put forward with the principle of momentum， and the analytical formula of transmission power from annular
nowing air to I時(shí)“)r was presented． It is obta；ned that the transmission power is 8qual to the continuous
product of annular air now， air density， convected velocity of rotor at rim and the projection of the abso—
lute veloeity of the air outflowi“g around the rim． It provides guide for setting trailing edge feature parame—
ters of blade profile curve．
KeywOrds： wind turbine blade； bernoulli equation； momentum moment principIe
(責(zé)任編輯：李琳)
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