CN109505742A - 一种确定非常规风力机推力系数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定非常规风力机推力系数的方法，步骤为：设定风力机启动风速、切入风速、额定风速及切出风速；在启动风速下，通过数值模拟获取不同尖速比下的扭矩系数和推力系数，将扭矩系数为零时所对应的推力系数作为启动风速下的推力系数；在切入风速与额定风速之间时，通过数值模拟获取额定风速时不同尖速比下的风能利用系数和推力系数，取最大风能利用系数对应尖速比下的推力系数作为切入风速与额定风速之间的推力系数；在额定风速与切出风速之间时，保持额定功率，通过推力系数随尖速比的变化曲线得到相应尖速比下的推力系数，同时通过流动控制手段诱导产生附加推力系数；当超过切出风速时，风力机停机，拟合出风力机在不同风速下的推力系数曲线。

Description

一种确定非常规风力机推力系数的方法
技术领域
本发明属于风力机气动特性及结构设计技术领域，特别是涉及一种确定非常规风力机推力系数的方法。
背景技术
环境和能源是人类赖以生存的基础，化石能源的巨量消耗会导致严重的环境污染问题，只有积极开发新能源和可再生能源，才能更好的缓解能源和环境问题。
风能是一种清洁无污染的可再生能源，而风力机则是将风能转换为机械能的设备，风力机气动性能的优劣直接影响风能转换效率，而风力机的推力系数又是表征风力机气动性能指标之一，其表示的是风力机所受推力的大小，推力系数在风力机的基础设计、结构设计等方面具有重要作用。
目前，对于常规的水平轴风力机来说，可以利用现有的动量-叶素理论来确定风力机的推力系数；对于常规的垂直轴达里厄风力机来说，可以利用现有的流管法确定风力机的推力系数。
然而，随着风能技术的日益发展，涌现出各种新颖型式的非常规风力机，现阶段，对于非常规风力机尚没有成熟的确定推力系数的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种确定非常规风力机推力系数的方法，适用于各种型号的非常规风力机，能够获取不同风速下的非常规风力机的推力系数，进而为风力机的结构设计提供必要的气动数据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种确定非常规风力机推力系数的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据风力机的设计指标，先对风力机的启动风速、切入风速、额定风速及切出风速进行设定；
步骤二：在设定的启动风速下，通过数值模拟方式获取不同尖速比下的扭矩系数和推力系数，并将扭矩系数为零时所对应的推力系数作为启动风速下的推力系数；
步骤三：当风速处于设定的切入风速与额定风速之间时，通过数值模拟方式获取额定风速时不同尖速比下的风能利用系数和推力系数，并取最大风能利用系数对应尖速比下的推力系数作为切入风速与额定风速之间的推力系数；
步骤四：当风速超出设定的额定风速且处于设定的额定风速与切出风速之间时，随着风速的增大，为了使风力机功率保持在额定功率，风力机的尖速比逐渐减小，通过推力系数随尖速比的变化曲线得到相应尖速比下的推力系数；同时，为了使风力机功率保持在额定功率，通过流动控制手段对风力机功率进行调节，且流动控制手段会诱导产生风力机的附加推力系数；
步骤五：当风速超过设定的切出风速时，风力机停机；
步骤六：根据步骤三至步骤五获取的推力系数数据，拟合出风力机在不同风速下的推力系数曲线。
采用的数值模拟方式为风力机计算流体力学数值模拟方法，计算域采用结构网格，并通过滑移网格技术模拟风力机的旋转运动；采用计算流体力学软件求解非定常不可压缩的时均N-S方程，湍流方程标准k-ε二方程模型，采用有限体积法离散上述方程，对流项采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，通过SIMPLE算法耦合压力与速度；边界条件采用速度入口边界、压力出口以及壁面无滑移边界。
风力机的扭矩系数、风能利用系数、推力系数及尖速比的计算公式为
CM＝2M/ρAV2R
Cp＝2P/ρAV3
CT＝2FT/ρAV2
λ＝ωR/V
其中，P＝2πnM/60，式中，P为风力机功率，n为风力机转速，M为风力机扭矩，CM为扭矩系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积，V为来流风速，R为风力机风轮旋转半径，CP为风能利用系数，CT为推力系数，FT为风力机推力，λ为尖速比，ω为风力机旋转角度速。
流动控制手段诱导产生的附加推力系数的计算公式为
CT(附加)＝2FT(附加)/ρAV2
其中，FT(附加)＝(P-P(额定))η/V，式中，FT(附加)为附加阻力，P为风力机功率，P(额定)为风力机额定功率，η为修正系数，V为来流风速，CT(附加)为附加推力系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，适用于各种型号的非常规风力机，能够获取不同风速下的非常规风力机的推力系数，进而为风力机的结构设计提供必要的气动数据。
附图说明
图1为采用扰流板控制的100kW的垂直轴H型风力机的结构示意图；
图2为图1所示风力机的风能利用系数随尖速比变化的曲线图；
图3为图1所示风力机的推力系数随尖速比变化的曲线图；
图4为图1所示风力机在不同风速下的推力系数曲线图；
图中，1—叶片，2—横臂，3—扰流板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例中，需要确定推力系数的风力机如图1所示，具体为采用扰流板控制的100kW的垂直轴H型风力机，风力机的旋转半径为16m，叶片高度为28m。
一种确定非常规风力机推力系数的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据风力机的设计指标，先对风力机的启动风速、切入风速、额定风速及切出风速进行设定；本实施例中，启动风速设定为2m/s，切入风速设定为5m/s，额定风速设定为9m/s，切出风速设定为25m/s；
步骤二：在设定的启动风速下，通过数值模拟方式获取不同尖速比下的扭矩系数和推力系数，并将扭矩系数为零时所对应的推力系数作为启动风速下的推力系数；本实施例中，推力系数设为0.984；
步骤三：当风速处于设定的切入风速与额定风速之间时，通过数值模拟方式获取额定风速时不同尖速比下的风能利用系数和推力系数，并取最大风能利用系数对应尖速比下的推力系数作为切入风速与额定风速之间的推力系数；本实施例中，数值模拟的额定风速时不同尖速比下的风能利用系数见图2，数值模拟的额定风速时不同尖速比下的推力系数见图3；在“最大风能利用系数对应尖速比下的推力系数”中，最大风能利用系数为0.3012，尖速比为3.5，推力系数为0.634；
步骤四：当风速超出设定的额定风速且处于设定的额定风速与切出风速之间时，随着风速的增大，为了使风力机功率保持在100kW的额定功率，风力机的尖速比逐渐减小，通过图3所示的推力系数随尖速比的变化曲线得到相应尖速比下的推力系数；同时，为了使风力机功率保持在100kW的额定功率，通过流动控制手段对风力机功率进行调节，且流动控制手段会诱导产生风力机的附加推力系数；
步骤五：当风速超过设定的切出风速时，风力机停机；
步骤六：根据步骤三至步骤五获取的推力系数数据，拟合出风力机在不同风速下的推力系数曲线，具体如图4所示。
采用的数值模拟方式为风力机计算流体力学数值模拟方法，计算域采用结构网格，并通过滑移网格技术模拟风力机的旋转运动；采用计算流体力学软件求解非定常不可压缩的时均N-S方程，湍流方程标准k-ε二方程模型，采用有限体积法离散上述方程，对流项采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，通过SIMPLE算法耦合压力与速度；边界条件采用速度入口边界、压力出口以及壁面无滑移边界。
风力机的扭矩系数、风能利用系数、推力系数及尖速比的计算公式为
CM＝2M/ρAV2R
Cp＝2P/ρAV3
CT＝2FT/ρAV2
λ＝ωR/V
其中，P＝2πnM/60，式中，P为风力机功率，n为风力机转速，M为风力机扭矩，CM为扭矩系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积，V为来流风速，R为风力机风轮旋转半径，CP为风能利用系数，CT为推力系数，FT为风力机推力，λ为尖速比，ω为风力机旋转角度速。
流动控制手段诱导产生的附加推力系数的计算公式为
CT(附加)＝2FT(附加)/ρAV2
其中，FT(附加)＝(P-P(额定))η/V，式中，FT(附加)为附加阻力，P为风力机功率，P(额定)为风力机额定功率，η为修正系数，V为来流风速，CT(附加)为附加推力系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积；本实施例中，修正系数η取0.95。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种确定非常规风力机推力系数的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据风力机的设计指标，先对风力机的启动风速、切入风速、额定风速及切出风速进行设定；
步骤二：在设定的启动风速下，通过数值模拟方式获取不同尖速比下的扭矩系数和推力系数，并将扭矩系数为零时所对应的推力系数作为启动风速下的推力系数；
步骤三：当风速处于设定的切入风速与额定风速之间时，通过数值模拟方式获取额定风速时不同尖速比下的风能利用系数和推力系数，并取最大风能利用系数对应尖速比下的推力系数作为切入风速与额定风速之间的推力系数；
步骤四：当风速超出设定的额定风速且处于设定的额定风速与切出风速之间时，随着风速的增大，为了使风力机功率保持在额定功率，风力机的尖速比逐渐减小，通过推力系数随尖速比的变化曲线得到相应尖速比下的推力系数；同时，为了使风力机功率保持在额定功率，通过流动控制手段对风力机功率进行调节，且流动控制手段会诱导产生风力机的附加推力系数；
步骤五：当风速超过设定的切出风速时，风力机停机；
步骤六：根据步骤三至步骤五获取的推力系数数据，拟合出风力机在不同风速下的推力系数曲线图。
2.根据权利要求1所述的一种确定非常规风力机推力系数的方法，其特征在于：采用的数值模拟方式为风力机计算流体力学数值模拟方法，计算域采用结构网格，并通过滑移网格技术模拟风力机的旋转运动；采用计算流体力学软件求解非定常不可压缩的时均N-S方程，湍流方程标准k-ε二方程模型，采用有限体积法离散上述方程，对流项采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，通过SIMPLE算法耦合压力与速度；边界条件采用速度入口边界、压力出口以及壁面无滑移边界。
3.根据权利要求1所述的一种确定非常规风力机推力系数的方法，其特征在于：风力机的扭矩系数、风能利用系数、推力系数及尖速比的计算公式为
CM＝2M/ρAV2R
Cp＝2P/ρAV3
CT＝2FT/ρAV2
λ＝ωR/V
其中，P＝2πnM/60，式中，P为风力机功率，n为风力机转速，M为风力机扭矩，CM为扭矩系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积，V为来流风速，R为风力机风轮旋转半径，CP为风能利用系数，CT为推力系数，FT为风力机推力，λ为尖速比，ω为风力机旋转角度速。
4.根据权利要求1所述的一种确定非常规风力机推力系数的方法，其特征在于：流动控制手段诱导产生的附加推力系数的计算公式为
其中，式中，为附加阻力，P为风力机功率，P(额定)为风力机额定功率，η为修正系数，V为来流风速，CT(附加)为附加推力系数，ρ为空气密度，A为风力机风轮扫掠面积。
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