风机叶轮空气动力学课件

叶轮空气动力简介朱雨2008.02新疆金风科技股份有限公司新疆金风科技股份有限公司前言风力发电的原理是利用风力带动风机叶轮旋转（风能转换成机械能），再通过传动轴驱动发电机产生电能（机械能转换成电能）。因此，风机叶轮效率的高低直接影响了发电系统产生电能的多寡。本次课程将对风机叶轮系统涉及的主要空气动力学理论和技术作一简单介绍，以供参考。一、影响风机性能的重要几何参数二、风机叶片性能分析技术三、风机叶片上的流场控制装置影响风机性能的重要几何参数1、叶片数 B 风机叶片数目是风力发电机组最直观的特征。目前被普遍采用的形式是三叶片。一叶、二叶、三叶风机示意图 不同叶片数、叶尖数比与风能利用系数关系图影响风机性能的重要几何参数由图可以看出：随着叶片数的增加，其效率也在增加，但增加的幅度在逐渐减小。这意味着当叶片数增加到一定程度之后，其效率增加所带来的好处将无法弥补相对需增加的制造成本；随着叶片数的减少，其最佳叶尖速比在增加。这意味着当叶片数减少，转速需增加以产生相同的旋转动能，但转速增加则意味着噪音问题更加严重（风机噪音与叶尖速度的5次方成正比）。影响风机性能的重要几何参数2、叶片外形 风机叶轮效率与叶片外形直接相关。叶片外形主要包括两部份：桨距角分布(r)和弦长分布c(r)。影响风机性能的重要几何参数理想的桨距角分布将使叶片在设计叶尖速比运转时，其升力与阻力之比达到最大。为达此目的，通常桨距角的分布会沿径向作变化。最佳桨距角分布可以由当地的入流角和最佳攻角计算得到：与桨距角相关联的另一概念是扭转角。某一径向位置的扭转角即为其桨距角与基准径向位置桨距角之差。影响风机性能的重要几何参数弦长分布可以通过理论推导得到 代入当地最佳的轴向诱导因子就可求得最佳弦长分布。与弦长相关联的另一概念是弦周比。某一径向位置的弦周比即为该位置处总弦长与周长之比。影响风机性能的重要几何参数3、翼型在所有影响风机性能的几何参数中，翼型几何外形是最基本和最重要的。若将叶片沿径向截成数段，从其横截面看，整个叶片是由一系列不同几何外形的翼型组成。影响风机性能的重要几何参数影响风机性能的重要几何参数攻角：相对气流与翼型弦线之间的夹角桨距角：旋转平面与翼型弦线之间的夹角入流角：相对气流与旋转平面之间的夹角升力：垂直于弦线方向的气动力分量阻力：平行于弦线方向的气动力分量垂向力：垂直于旋转平面的气动力分量切向力：平行于旋转平面的气动力分量作用在翼型上的气动力特性将直接影响整个叶片的性能。翼型的气动特性雷诺数的影响影响低速翼型性能的最重要的流体因素是流体的粘性，它间接产生升力而直接产生阻力，造成流体分离。这种影响用雷诺数表示。随雷诺数增加，升力曲线斜率增加，最大升力系数增加，失速临界攻角增加；最小阻力系数减小；翼型升阻比也增加对于风机翼型，雷诺数范围在(100.7)106,这表明风机翼型通常都不运行在敏感的低雷诺数范围。翼型的气动特性边界层的影响 翼型的气动特性和翼型表面的边界层密切相关。在低雷诺数下，翼型表面从层流边界发展为完全分离和失速；在中雷诺数下，翼型表面从层流边界层经过分离气泡，再附着发展为湍流边界层；在高雷诺数下，翼型表面从层流边界经过转捩发展为湍流边界层。不同的边界层发展情况对翼型的气动特性，特别是阻力特性有较大的影响。尤为显著。翼型的气动特性粗糙度的影响翼型表面由于材料、加工能力以及环境的影响，使表面不可能绝对光滑，而呈凹凸不平。这些凹凸不平的波峰和波谷之间的高度的平均值称粗糙度。通常粗糙的型面和光滑的型面相比，翼型的升力系数降低，阻力系数增加。其程度与雷诺数和翼型的几何外形等相关。通常翼型前缘向后到2030%弦长处的上下表面对翼型气动特性影响较为明显。翼型的气动特性湍流度的影响通常情况下，湍流度增加，翼型的阻力系数和最大升力系数增加，最大升阻比减小。攻角的影响上述气动特性大多在小攻角范围，在大攻角情况下，其变化要复杂得多。风机叶片的工况很宽，不仅涉及小攻角情况，而且涉及失速和大攻角范围的升、阻特性。由于大功角的气动特性变化复杂，纯理论计算相当困难，因而大多依据相应的试验得到较可靠的结果。风机叶轮性能分析技术1、风机叶轮性能的表示风机叶轮的性能通常以风能利用系数表示。风机叶轮性能分析技术2、动量理论风机叶轮吸收风能转换为机械能的过程可以用动量理论来模拟。动量理论又称滑流理论，其起源可以追溯到19世纪的船用螺旋桨的研究。动量理论采用如下假设：空气是无粘、不可压缩的理想流体；视叶轮为一个无厚度的桨盘，流过桨盘的气流为均匀滑流。换言之，流动是一维的。风机叶轮性能分析技术风速流经桨盘时，其速度值会减小，定义轴向诱导因子 。在满足质量守恒、动量守恒和Bernoulli方程的条件下可以推导出叶轮的推力系数和功率系数风机叶轮性能分析技术3、叶素理论叶素理论最早由Drzewiwcki在19世纪末提出，是叶轮空气动力学研究中被广泛采用的又一经典理论叶素理论把桨叶视作由若干个叶素构成。假设叶素的气动载荷是准二维的，即每个叶素类似于一个二维翼型来产生气动作用。于是，对叶素气动载荷的计算便等同于二维翼型气动载荷的计算。沿桨叶径向积分就可以得整个叶片进而整个叶轮的气动特性。风机叶轮性能分析技术尽管作了准二维的假设，但是通过对叶素迎角的修正，叶素理论考虑了旋翼的非均匀诱导入流的三维效应。换言之，旋翼诱导速度不再假定是均匀分布的；从而，能更真实地反映诱导速度沿半径和方位角的变化。drr0RrUUTURdFTdFPdDdRdLUTUPU风机叶轮性能分析技术合速度下，叶素的升力和阻力分别为：式中翼型的升力系数Cl，阻力系数Cd取决于叶素的迎角。叶素的垂向力和切向力分别为：因此，对于桨叶数为Nb的叶轮系统，其拉力，扭矩和功率分别为：风机叶轮性能分析技术4、动量叶素理论将动量理论应用在叶片每个叶素上，就得到了目前风机叶轮设计与分析最常用的模式：动量叶素理论（BEM）动量叶素理论在针对每个叶素作性能分析的同时考虑轴向和弦向诱导速度，理论基础相当完整。应用动量叶素理论对叶轮性能进行分析时，最关键的步骤是轴向诱导因子和弦向诱导因子的求解。风机叶轮性能分析技术5、计算流体力学在叶轮性能分析中的应用目前，计算风机叶轮流场的方法主要有拉格朗日描述和欧拉描述，分别对应于涡流理论和CFD方法。CFD方法涡流理论CFD方法以Navier-Stokes 方程作为控制方程的CFD方法，因其完整的理论构架，可以充分考虑粘性的影响，计算出控制体内任意一处所有的物理信息，已经成为计算流体力学的主流。对于粘性模拟的准确性取决于合适的紊流模型。目前常用的紊流模型有k-模型和k-模型。随着计算方法和计算机技术的发展，CFD方法得到了长足的进步，但要令人充满信心地应用在风机叶轮分析和设计上，还需再进一步。CFD方法涡流理论涡流理论在广义上，包括两个问题：内部问题：通过叶片模型对叶片涡系的分析；外部问题：通过尾迹模型对叶轮尾迹的分析。外部问题一直是涡流理论的关注重点。其关键就在于叶轮尾迹模型的选取。一般地，叶轮尾迹模型可归纳为：固定尾迹模型预定尾迹模型自由尾迹模型涡流理论固定尾迹模型在20世纪六、七十年代被广泛应用于叶轮气动特性分析。但固定尾迹未考虑尾迹的收缩和涡线的畸变，因而与实际尾迹形状有一定差别。预定尾迹模型从流场显示实验出发，总结出尾迹形状。因此它考虑了尾迹的实际收缩，在20世纪七、八十年代成为叶轮尾迹分析的有效手段。自由尾迹模型则从自由涡面不承力的思想出发，允许涡线随当地气流速度自由移动。它充分考虑了尾迹对自身的作用和叶片与尾迹之间的相互干扰，因此它是一种更准确且物理上正确的方法。涡流理论风机叶片上的流场控制装置涡流发生器涡流发生器通常安装在叶片的吸力面，距离前缘15%30%弦长处，借由延缓分离流的发生而提高最大升力，但同时也使得阻力增加。风机叶片上的流场控制装置Stall StripStall Strip通常安装在叶片外围的前缘附近，可以改变叶片的气动特性以达到控制功率输出的目的风机叶片上的流场控制装置Gurney Flap Gurney Flap通常安装在叶片内围的压力面后缘，借由增加翼型后半部的有效弯度，而提升最大升力，但同时也使阻力增加。风机叶片上的流场控制装置剑型翼尖和翼尖上翻剑型翼尖和翼尖上翻设计，可以通过改善翼尖涡的生成和发展，进而提高效率，减少噪音。谢 谢！