CN109598030A - 一种风力机叶尖损失修正计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力机叶尖损失修正计算方法包括如下步骤：步骤一：根据给定的表达式计算得到第一修正因子FS；步骤二：使用步骤一得到的FS修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数；步骤三：根据给定的表达式计算得到第二修正因子FR；步骤四：基于步骤二，并使用步骤三得到的FR，修正轴向诱导因子和切向诱导因子。本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法提出了两个修正因子，利用两个修正因子实现更准确的风力机叶尖损失修正，从而解决了失速状态的修正不足甚至反修正问题。

Description

一种风力机叶尖损失修正计算方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体的涉及一种风力机叶尖损失修正计算方法。
背景技术
叶素动量方法(BEM)是空气动力性能计算最常用的方法，其计算准确性对于风力机设计和评估风电机组发电量具有重要意义。由于BEM方法基于二维假设，当计算叶片尖部等三维流动特征明显的区域的气动力时，依赖于叶尖损失修正计算。于20世纪60年代提出的Glauert修正模型是BEM中应用最多的一种叶尖损失修正计算方法。该模型定义了一个修正因子F，表示风力机叶轮平面平均诱导速度与叶片处诱导速度的比值。在20世纪70年代，Wilson等人和Vries等人先后对Glauert模型的表达式进行了修改。丹麦技术大学的Shen等人于2005年提出了一个新的修正因子F1，并将该修正因子与Glauert模型的修正因子F共同用于BEM的叶尖损失修正计算。尽管Glauert模型的计算结果并非完美，但其被应用的历史最长，验证最充分，各种模型中仍然没有任何一个被公认优于Glauert模型。
包括Glauert模型在内的现有各种叶尖损失修正计算方法，存在的突出问题主要体现在两个方面：一是与实验数据相比，叶尖损失修正的准确性仍然存在不足；二是对风力机失速状态没有做针对性的处理，导致在失速状态出现修正不足甚至反修正现象。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风力机叶尖损失修正计算方法，相比Glauert模型提高了计算准确性，并解决了失速状态的修正不足甚至反修正问题。
为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种风力机叶尖损失修正计算方法包括如下步骤：步骤一：根据给定的表达式计算得到第一修正因子FS；步骤二：使用步骤一得到的FS修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数；步骤三：根据给定的表达式计算得到第二修正因子FR；步骤四：基于步骤二，并使用步骤三得到的FR，修正轴向诱导因子和切向诱导因子。
优选地，步骤一中第一修正因子FS的计算表达式为：其中R为风力机叶轮半径，r为叶片剖面所在半径，c为叶片剖面弦长。
优选地，步骤二中修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数的公式为：Cl＝FSCL,Cd＝CD+Cltan[α(1-FS)],其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α是叶片剖面的迎角。
优选地，步骤二中修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数的公式为：其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α0是翼型的零升力迎角，m是翼型的升力线斜率，C′L和C′D分别是迎角α′时翼型的升力系数和阻力系数，其中
优选地，步骤三中第二修正因子FR的计算表达式为：其中B为风力机叶片数，R为风力机叶轮半径，r为叶片剖面所在半径，λ为叶尖速比。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法提出了两个修正因子，利用两个修正因子实现更准确的风力机叶尖损失修正，从而解决了失速状态的修正不足甚至反修正问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法的实施步骤示意图；
图2是本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法用于NREL PhaseⅥ实验风力机，在风速10m/s时的叶片剖面法向力系数计算结果；
图3是本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法用于NREL PhaseⅥ实验风力机，在风速13m/s时的叶片剖面法向力系数计算结果；
图4是本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法用于Swedish WG500实验风力机，在风速8m/s时的叶片剖面法向力系数计算结果。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
在本发明提供的叶尖损失修正计算方法中，提出了两个修正因子，它们分别被表示为FS和FR。FS描述了风力机叶片不旋转时的叶尖损失，或者称为下洗效应导致的叶尖损失；FR描述了旋转效应对风力机叶尖损失的影响。这两个修正因子共同用于BEM计算中，实现了更准确的风力机叶尖损失修正。
如图1所示，本发明提供的风力机叶尖损失修正计算方法包括以下步骤：
步骤一，根据给定的表达式计算得到第一修正因子FS。
具体地，步骤一要求的已知条件包括：风力机叶轮半径R，剖面所在半径r，剖面弦长c，使用表达式计算获得该剖面的第一修正因子FS的数值。
步骤二，使用步骤一得到的FS修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数。
在步骤二中，FS用于修正BEM计算中所使用的翼型的升力系数和阻力系数。
具体地，步骤二要求的已知条件包括：剖面迎角α，剖面翼型在迎角α下的升力系数CL和阻力系数CD。
而且，在本实施例中，修正公式分为两类：
第一类用于不考虑叶片剖面失速的情况，修正升力系数的公式使用Cl＝FSCL，修正阻力系数的公式使用Cd＝CD+Cltan[α(1-FS)],其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α是BEM计算获得的叶片剖面迎角；
第二类用于考虑叶片剖面失速的情况，修正升力系数的公式使用修正阻力系数的公式使用其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α0是翼型的零升力迎角，m是翼型的升力线斜率，C′L和C′D分别是迎角α′时翼型的升力系数和阻力系数，其中以上第一类和第二类公式在使用上是二选一的关系，不能同时使用。
需要说明的是，第一类公式的优点在于更简单易用。第二类修正公式的优点在于其适用范围比第一类修正公式更广，具体体现在：当叶片表面没有发生失速，第一类和第二类公式的计算结果几乎一致；当叶片表面发生了失速，第二类公式的计算结果比第一类公式更准确。
步骤三，根据给定的表达式计算得到第二修正因子FR。
具体地，步骤三要求的已知条件包括：风力机的叶片数B，风力机的叶轮半径R，叶尖速比λ，叶片剖面所在半径r，使用表达式计算获得该剖面的第二修正因子FR的数值。
步骤四，修正轴向诱导因子和切向诱导因子。
具体地，步骤四要求的已知条件包括入流角φ，通过联立求解方程和方程获得修正后的轴向诱导因子a和切向诱导因子a′，方程中Cn为叶片剖面的法向力系数，其计算公式为Cn＝Clcosφ+Cdsinφ，Ct为叶片剖面的切向力系数，其计算公式为Ct＝Clsinφ-Cdcosφ。
对于风力机叶片的各个剖面，在BEM计算中使用通过以上步骤获得的修正后的轴向诱导因子a和切向诱导因子a′，即实现了该风力机叶片的叶尖损失修正计算。
将以上计算步骤用于NREL PhaseⅥ实验风力机，以验证本发明计算方法的有效性。在典型风速9m/s下，基于BEM计算获得的该风力机叶片的法向力系数分布如图2所示。与Glauert模型相比，在靠近叶片尖部区域(r/R>0.7)，应用本发明计算方法获得的计算结果与实验数据更吻合。在13m/s的较大风速下，叶片表面发生失速现象，基于BEM计算获得的该风力机叶片的法向力系数分布如图3所示。Glauert模型的计算结果在一些区域高于无修正计算的结果，说明出现了“反修正”现象。本发明计算方法的结果避免了“反修正”现象的发生，并且与实验数据更接近。
将以上计算步骤用于Swedish WG500实验风力机，以进一步验证本发明计算方法的有效性。在典型风速8m/s下，基于BEM计算获得的该风力机叶片的法向力系数分布如图4所示。与Glauert模型相比，在靠近叶片尖部区域(r/R>0.7)，应用本发明计算方法获得的计算结果与实验数据更吻合。
通过以上计算验证可见，本发明计算方法相比经典的Glauert模型提高了计算准确性，并解决了失速状态的修正不足甚至反修正问题。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风力机叶尖损失修正计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：根据给定的表达式计算得到第一修正因子FS；
步骤二：使用步骤一得到的FS修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数；
步骤三：根据给定的表达式计算得到第二修正因子FR；
步骤四：基于步骤二，并使用步骤三得到的FR，修正轴向诱导因子和切向诱导因子。
2.根据权利要求1所述的风力机叶尖损失修正计算方法，其特征在于：步骤一中第一修正因子FS的计算表达式为：其中R为风力机叶轮半径，r为叶片剖面所在半径，c为叶片剖面弦长。
3.根据权利要求1所述的风力机叶尖损失修正计算方法，其特征在于：步骤二中修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数的公式为：Cl＝FSCL,Cd＝CD+Cltan[α(1-FS)],其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α是叶片剖面的迎角。
4.根据权利要求1所述的风力机叶尖损失修正计算方法，其特征在于：步骤二中修正风力机叶片剖面的升力系数和阻力系数的公式为：其中Cl和Cd分别为叶片剖面升力系数，CL和CD分别为二维翼型升力系数，α0是翼型的零升力迎角，m是翼型的升力线斜率，C′L和C′D分别是迎角α′时翼型的升力系数和阻力系数，其中
5.根据权利要求1所述的风力机叶尖损失修正计算方法，其特征在于：步骤三中第二修正因子FR的计算表达式为：其中B为风力机叶片数，R为风力机叶轮半径，r为叶片剖面所在半径，λ为叶尖速比。
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