CN116822172A - 基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法和系统，包括：给定双风轮风力机几何参数与前后风轮叶片气动力信息；给定双风轮风力机入流条件并设置运行工况；根据双风轮风力机几何参数、双风轮风力机运行工况，计算自由尾迹模型的近场尾迹寿命角、远场尾迹寿命角；根据自由尾迹模型关键参数，计算双风轮风力机气动预测初场；基于时间步进的自由尾迹模型计算双风轮尾迹；基于升力面法计算双风轮气动载荷。从而可内生性地考虑前后风轮耦合的气动效应，可针对串列式双风轮风力机尾迹特性进行近场尾迹和远场尾迹划分，能够在保证计算前后风轮气动干涉的同时提高计算效率，可应用于双风轮非定常气动载荷的预测。

Description

基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法和系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法和系统。

背景技术

串列式双风轮风力机是指在单风轮水平轴流风力机基础上同轴增设一个转子，以进一步利用转子尾迹中的风能，提升单机组风能利用效率的风能捕获装置。已有缩比模型风洞试验和样机试验结果显示串列式双风轮风力机相比单风轮风力机输出功率大幅提升。

受限于塔架强度，前后风轮的轴向距离不可过大，在此构型下，前后风轮的气动干涉不可忽略。后风轮浸没在前风轮的尾迹中，由于前风轮捕获部分风能，后风轮入流相比于前风轮下降，影响后风轮做功能力。此外，由于轴向距离较小，前风轮尾迹中未耗散的涡结构与后风轮叶片之间发生复杂的干涉作用，影响后风轮叶片涡脱落特性，继而产生非定常气动载荷。对于前风轮来说，由于后风轮的堵塞效应，前风轮的实际入流速度相比同入流速度同转速的单风轮风力机减小。前后风轮尾迹在向下游发展的过程中相互影响，较单风轮风力机尾迹失稳提前，畸变的尾迹对风轮的影响对应改变。可见，前后风轮气动干涉是一个与结构参数和运行工况相关的复杂非定常问题。

在实际运行时，由于前后风轮处于不同的入流速度中，两者的变速变桨控制需要相互配合以实现总功率输出最大化。前后风轮可以不同旋转方向，不同转速运行，系统产生多激励频率的非定常气动载荷，可能导致气弹失稳与疲劳损伤等问题。

因此，有必要开发一种针对串列式双风轮风力机的非定常气动计算方法，可以考虑前后风轮复杂的气动干涉现象产生的非定常气动载荷。目前发现的基于升力面-自由尾迹模型针对双风轮风力机的应用有限，未发现同本发明类似尾迹处理方式的国内外说明或报道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法和系统。

第一方面，本申请实施例提供一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，包括：

步骤1：给定双风轮风力机几何参数与前后风轮叶片气动力信息；

步骤2：给定双风轮风力机入流条件并设置运行工况；

步骤3：根据双风轮风力机几何参数、双风轮风力机运行工况，计算自由尾迹模型关键参数；所述自由尾迹模型关键参数包括：近场尾迹寿命角、远场尾迹寿命角；

步骤4：根据自由尾迹模型关键参数，计算双风轮风力机气动预测初场；

步骤5：基于时间步进的自由尾迹模型计算双风轮尾迹；

步骤6：基于升力面法计算双风轮气动载荷。

可选地，所述双风轮风力机几何参数包括：前后风轮轴向距离，前后风轮叶片长度，，前后风轮叶片扭角分布和弯掠形状；叶片气动力信息包括：前后风轮叶片翼型升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数。

可选地，所述双风轮风力机运行工况包括：前后风轮角速度，正值为顺时针旋转，负值为逆时针旋转，所述双风轮风力机入流条件包括：轮毂高度入流风速，入流偏航角度。

可选地，所述步骤4包括：

步骤4.1：根据近场尾迹寿命角、远场尾迹寿命角分别构造前、后风轮尾迹涡系；

步骤4.2：基于升力面-自由尾迹模型，计算独立运行的前、后风轮尾迹；

步骤4.3：根据双风轮构型的前后风轮相对位置，布置前后风轮尾迹控制点，并作为后续时间步进耦合计算的初始化尾迹。

可选地，在步骤3中前风轮近场尾迹寿命角ζ_NW,前风轮的计算公式如下：

其中：L表示前后风轮轴向距离，ω_ir表示前后风轮角速度，下标ir∈{前风轮,后风轮}，V表示轮毂高度入流风速，θ_yaw表示入流偏航角度。

可选地，所述步骤5包括：

步骤5.1：基于初场尾迹涡控制点的位置，计算叶片网格控制点的诱导速度；

步骤5.2：根据壁面不穿透条件，计算自由涡环量；

步骤5.3：计算远场尾迹各控制点诱导速度；

步骤5.4：根据自由尾迹控制方程，计算尾迹控制点位移，以及由初场开始，时间步进地进行计算至前后风轮功率与尾迹形状呈周期波动。

可选地，所述步骤6包括：

耦合计算收敛后，根据相对速度入流方向计算前后风轮攻角的展向分布；

根据给出的前后风轮叶片气动力信息计算叶片气动载荷展向分布，并在展向上积分得到串列式双风轮风力机的性能参数，所述性能参数包括：功率和推力。

第二方面，本申请实施例提供一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算系统，包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有可执行的程序指令，所述处理器调用所述存储器中的程序指令时，所述处理器用于：

执行如第一方面中任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的步骤。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，所述程序被执行时实现如第一方面中任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本申请提供的一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，针对串列式双风轮风力机尾迹特性进行近场尾迹和远场尾迹划分，能够在保证计算前后风轮气动干涉的同时提高计算效率。

2)本申请提供的一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，可以考虑前后风轮不同叶片长度、旋转速度、旋转方向以及前后风轮间轴向距离等参数，从而应用于双风轮非定常气动载荷预测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的串列式双风轮风力机及串列式双风轮风力机几何参数示意图；

图3为本申请实施例提供的风力机叶片、近场尾迹、远场尾迹涡系示意图；

图4为本申请实施例提供的前风轮初场尾迹示意图；

图5为本申请实施例提供的后风轮初场尾迹示意图；

图6为本申请实施例提供的基于升力面的串列式双风轮风力机自由尾迹耦合计算收敛时尾迹示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于升力面的风力机气动模型在水平轴流风力机非定常气动预测有一定应用。当拓展至串列式双风轮风力机气动计算时，存在以下关键点：首先，在大部分情况下，前后风轮尾迹相互干扰，采取固定尾迹或预定尾迹模型无法反映尾迹畸变及其对气动载荷影响，因此尾迹部分处理需采用自由尾迹模型；其次，采用自由尾迹模型对串列式双风轮尾迹建模会导致计算量激增，伴随叶片数翻倍，在计算量最大的尾迹控制点诱导速度部分计算量增大至单风轮的4倍，需要简化尾迹涡系以降低计算量。由于前后风轮较小的轴向距离，尾迹涡系建模，尤其是前风轮尾迹涡系，对气动载荷计算准确性影响显著。

针对上述问题，本申请实施例提供一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法。

图1为本申请实施例提供的一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的流程图，如图1所示，本实施例中的方法，可以包括如下步骤：

S1：给定双风轮风力机几何参数与前后风轮叶片气动力信息。

在步骤S1中，几何参数包括：前后风轮轴向距离L，前后风轮叶片长度R_ir，下标ir∈{前风轮,后风轮}，前后风轮叶片扭角分布θ_ir,k和弯掠形状u_ir,k，下标k＝1,2,…；所述叶片气动力信息包括前后风轮叶片翼型p升力系数阻力系数/>俯仰力矩系数/>上标p＝1,2,…。

示例性的，以2台NREL 5MW风力机为前后风轮组成串列式双风轮风力机。选取前后风轮轴向距离L＝20m，采用NREL 5MW原始尺寸，前风轮叶片长度R_前风轮＝61.5m，后风轮R_后风轮＝61.5m，NREL 5MW扭角θ_k的沿展向位置r_k/R分布如表1所示：

表1

r/R	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
											θk(°)	13.31	13.18	10.23	8.53	6.71	4.97	3.33	1.92	0.76	0.00

NREL 5MW叶片由叶根至叶尖除圆柱外，分别有如下6种翼型：DU21、DU25、DU30、DU35、DU40、NACA64，给出各翼型的升力系数阻力系数/>俯仰力矩系数/>上标p＝1,2,…,6。

S2：给定双风轮风力机入流条件并设置运行工况。

本实施例中，运行工况包括：前后风轮角速度ω_ir，正值为顺时针旋转，负值为逆时针旋转，所述入流条件包括入流风速大小V，偏航角度θ_yaw。

示例性的，选取NREL 5MW风力机设计工况，入流速度V＝11.4m/s，入流方向垂直风轮平面，偏航角θ_yaw＝0°，前风轮以ω_前风轮＝-8rpm逆时针旋转，后风轮以ω_后风轮＝8rpm顺时针旋转，由于与NREL 5MW旋转方向相反，对后风轮叶片沿旋转平面法向镜像。

S3：计算自由尾迹模型关键参数。

本实施例中，基于S1与S2给出的风力机几何参数与运行情况，选定自由尾迹模型关键参数近场尾迹寿命角ζ_NW,ir与远场尾迹寿命角ζ_FW,ir，其中前风轮近场尾迹寿命角ζ_NW,前风轮按下式计算：

其中，

示例性的，先计算判断L＝20m≥x_cri，得ζ_NW,前风轮＝π/3。取ζ_NW,后风轮＝π/3，ζ_FW,前风轮＝12π，ζ_FW,后风轮＝12π。由此划分前后风轮尾迹涡为近场尾迹和远场尾迹。

S4：计算双风轮风力机气动预测初场。

奔实施例中，根据S3计算的近、远场尾迹寿命角、分别构造前、后风轮尾迹涡系，基于升力面-自由尾迹模型计算独立运行的前、后风轮尾迹，根据双风轮构型的前后风轮相对位置平移前后风轮尾迹控制点，作为后续时间步进耦合计算的初始化尾迹。

示例性的，如图3所示，基于升力面-自由尾迹模型，分别计算独立运行的前、后风轮尾迹。独立运行的前、后风轮尾迹分别见图4、图5。根据前后风轮轴向距离20m，将后风轮初场尾迹控制点整体向下游平移，得到后续时间步进耦合计算的初始化尾迹。

S5：基于时间步进的自由尾迹模型计算双风轮尾迹。

本实施例中，基于初场尾迹涡控制点的位置，计算叶片网格控制点的诱导速度，根据壁面不穿透条件计算自由涡环量，计算远场尾迹各控制点诱导速度，根据自由尾迹控制方程计算尾迹控制点位移，由初场开始，时间步进地进行计算至前后风轮功率与尾迹形状呈周期波动，即前后风轮耦合计算收敛。其中，收敛的尾迹形状如图6所示。

S6：基于升力面法计算双风轮气动载荷。

本实施例中，耦合计算收敛后，根据相对速度入流方向计算前后风轮攻角的展向分布，由步骤S1中给出的前后风轮叶片气动力信息计算叶片气动载荷展向分布，并在展向上积分得到串列式双风轮风力机功率和推力等性能参数。

本实施例，应适用于串列式双风轮风力机灵活的几何构型和运行情况，可考虑串列式双风轮风力机前后风轮任意叶片长度比、轴向距离，前后风轮旋转方向可以相同或相反，能够在保证计算前后风轮气动干涉的同时提高计算效率。

需要说明的是，所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“平台”。

此外，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当用户设备的至少一个处理器执行该计算机执行指令时，用户设备执行上述各种可能的方法。其中，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。另外，该ASIC可以位于用户设备中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于通信设备中。

本申请还提供一种程序产品，程序产品包括计算机程序，计算机程序存储在可读存储介质中，服务器的至少一个处理器可以从可读存储介质读取计算机程序，至少一个处理器执行计算机程序使得服务器实施上述本发明实施例任一的方法。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，包括：

步骤1：给定双风轮风力机几何参数与前后风轮叶片气动力信息；

步骤2：给定双风轮风力机入流条件并设置运行工况；

步骤3：根据双风轮风力机几何参数、双风轮风力机运行工况，计算自由尾迹模型关键参数；所述自由尾迹模型关键参数包括：近场尾迹寿命角、远场尾迹寿命角；

步骤4：根据自由尾迹模型关键参数，计算双风轮风力机气动预测初场；

步骤5：基于时间步进的自由尾迹模型计算双风轮尾迹；

步骤6：基于升力面法计算双风轮气动载荷。

2.根据权利要求1所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，所述双风轮风力机几何参数包括：前后风轮轴向距离，前后风轮叶片长度，前后风轮叶片扭角分布和弯掠形状；叶片气动力信息包括：前后风轮叶片翼型升力系数，阻力系数，俯仰力矩系数。

3.根据权利要求1所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，所述双风轮风力机运行工况包括：前后风轮角速度，正值为顺时针旋转，负值为逆时针旋转，所述双风轮风力机入流条件包括：轮毂高度入流风速，入流偏航角度。

4.根据权利要求1所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：根据近场尾迹寿命角、远场尾迹寿命角分别构造前、后风轮尾迹涡系；

步骤4.2：基于升力面-自由尾迹模型，计算独立运行的前、后风轮尾迹；

步骤4.3：根据双风轮构型的前后风轮相对位置，布置前后风轮尾迹控制点，并作为后续时间步进耦合计算的初始化尾迹。

5.根据权利要求1所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，在步骤3中前风轮近场尾迹寿命角ζ_NW,前风轮的计算公式如下：

其中：L表示前后风轮轴向距离，ω_ir表示前后风轮角速度，下标ir∈{前风轮,后风轮}，V表示轮毂高度入流风速，θ_yaw表示入流偏航角度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤5.1：基于初场尾迹涡控制点的位置，计算叶片网格控制点的诱导速度；

步骤5.2：根据壁面不穿透条件，计算自由涡环量；

步骤5.3：计算远场尾迹各控制点诱导速度；

步骤5.4：根据自由尾迹控制方程，计算尾迹控制点位移，以及由初场开始，时间步进地进行计算至前后风轮功率与尾迹形状呈周期波动。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法，其特征在于，所述步骤6包括：

耦合计算收敛后，根据相对速度入流方向计算前后风轮攻角的展向分布；

根据给出的前后风轮叶片气动力信息计算叶片气动载荷展向分布，并在展向上积分得到串列式双风轮风力机的性能参数，所述性能参数包括：功率和推力。

8.一种基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算系统，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有可执行的程序指令，所述处理器调用所述存储器中的程序指令时，所述处理器用于：

执行权利要求1至7任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，用于存储程序，其特征在于，所述程序被执行时实现权利要求1至7任一项所述的基于升力面的串列式双风轮风力机气动计算方法的步骤。