CN106762409B - 一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法，涉及一种风机叶轮动量修正方法，包括以下步骤：对叶素动量理论推导过程中的每一表达式进行相应修正，最终得到修正后风能利用系数表达式，如下；通过有限元分析软件FLUENT计算模型的发散角，并由图3确定在该发散角的条件下能达到的最大风能利用系数及对应的风轮锥角。该方法提出一种基于β锥角的针对水平轴风力发电机组的传统叶素动量的修正方法。该方法引入风轮锥角β，计算出锥角对风力机风能利用系数大小的影响，通过优化风轮锥角进一步提高风力机风能利用率。

Description

一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法
技术领域
本发明涉及涉及一种风机叶轮动量修正方法，特别是涉及一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法。
背景技术
目前风力发电技术多采用基于零锥角的水平轴风力机发电机组。其设计方法为，根据对功率的设计要求，选取合适的风力机叶片的翼型及尺寸，为追求最大风能利用系数C p，通过传统零锥角叶素动量理论对风轮的两个重要参数节距角θ及速度比γ进行优化计算，得到风力机的优化运行参数。传统零锥角叶素动量理论能够成功地优化零锥角风力机运行参数，但无法计算出风轮锥角β变化对风力机风能利用系数大小的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法，该方法提出一种基于β锥角的针对水平轴风力发电机组的传统叶素动量的修正方法。该方法引入风轮锥角β，计算出锥角对风力机风能利用系数大小的影响，通过优化风轮锥角进一步提高风力机风能利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
该修正方法按如下步骤进行：
步骤1：根据图1所示修正前后风轮气流模型图，对叶素动量理论推导过程中的每一表达式进行相应修正，最终得到修正后风能利用系数表达式，如下
步骤2：通过图2所示的修正后迭代流程图计算该表达式的的数值解。
步骤3：设定参数的取值范围，遍历各组参数，通过步骤2计算该组参数对应数值解。
步骤4：将具有相同参数的划分为一组，分别找出组内最大风能利用系数记录，组成随参数、变化的数据组，绘制图3所示随、变化的曲线图。
步骤5：通过有限元分析软件FLUENT计算模型的发散角，并由图3确定在该发散角的条件下能达到的最大风能利用系数及对应的风轮锥角。
本发明的优点与效果是：
本发明通过图3的随、变化曲线可看出，锥角为零时，最大风能利用系数=0.481该值与传统零锥角叶素动量叶轮计算结果一致，与发散角无关。当考虑锥角时，随锥角的增加先增大后减小，发散角为通常值12°时，最大风能利用系数=0.495，与0.481相比，提高了2.9%。
附图说明
图1(a)为修正前风轮气流模型；
图1(b)为修正后风轮气流模型；
图2为修正后迭代流程图；
图3为随、变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
针对步骤1，对叶素动量理论推导过程中的每一表达式进行修正的详细过程入下：
（a）传统零锥角叶素动量理论：
经典的叶素动量理论采用零锥角模型，即风轮旋转面为零度锥角的平面（图1（a）），此时气流的径向速度分量对风轮不产生动力作用，因此只考虑气流轴向速度对风轮产生的动力效果。由动量理论得到，气流作用在风轮根部距离处叶素的轴向推力和转矩分别为：
（1）
（2）
为空气密度；为风轮上游远端风速；为轴向诱导因子；为周向诱导因子。
同时，由叶素理论得到
（3）
（4）
为叶片数；为叶素弦长；以叶素为参照系的相对风速；为入流角，表示风轮处相对风速与风轮旋转平面的夹角，其表达式为
（5）
为速度比，其表达式为
（6）
、为风力机翼型升力、阻力系数，对于一个确定的翼型，、主要由攻角决定
（7）
为节距角，表示叶素弦长方向与风轮旋转平面之间的夹角。
分别将式（1）、（3）及式（2）、（4）建立等量关系，并引入普朗特叶尖损失因子，可计算出轴向诱导因子及周向诱导因子
（8）
（9）
其中为实度
（10）
进一步计算出风能利用系数
（11）
（b）修正后β锥角叶素动量理论模型：
β锥角叶素动量理论采用β锥角模型，即叶片与旋转轴垂直平面夹角为β（如图1（b）），风轮旋转面为圆锥面。此时，气流的径向速度分量亦会对风轮产生转矩作用，进而转换为风轮机的械能。为计算出这部分机械能，对经典零锥角叶素动量理论做如下修正。
与叶根距离为的风轮叶素，其距离旋转轴的垂直距离为
（12）
气流速度与风轮旋转锥面垂直的速度分量为
（13）
γ为该处气流流向与轴向夹角；为对轴向诱导因子的修正（本文中上角标c表示对相应量的修正值）。
将修正式（12）、（13）及β代入式（1）~（11），分别得到如下式（14）~（24）对应的修正表达式
（14）
（15）
（16）
（17）
（18）
（19）
（20）
（21）
（22）
（23）
（24）。

Claims (1)

1.一种基于β锥角的风力机叶素动量修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：对叶素动量理论推导过程中的每一表达式进行相应修正，最终得到修正后风能利用系数表达式，如下
；
式中，为修正后实度；为修正后速度比；为修正后轴向诱导因子；为修正后周向诱导因子；为修正后入流角；为修正后气流发散角；
步骤2：通过初始化、计算入流角、计算攻角、确定升阻系数，、计算诱导因子的迭代过程，计算该表达式的的数值解；
步骤3：设定参数的取值范围，遍历各组参数，通过步骤2计算该组参数对应数值解；
步骤4：将具有相同参数的划分为一组，分别找出组内最大风能利用系数记录，组成随参数变化的数据组，绘制随变化的曲线图；
步骤5：通过有限元分析软件FLUENT计算模型的发散角，并由步骤4中所绘制的曲线确定在该发散角的条件下能达到的最大风能利用系数及对应的风轮锥角。
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Denomination of invention: Wind turbine blade element momentum correction method based on beta taper angle

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