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大型风力机复合材料叶片的气动外形和载荷设计

齐沛玉
(上海玻璃钢研究院有限公司,上海201404)

摘要

以动量-叶素理论为基础,选用NACA634改进翼形,设计了2MW风电机组叶片,并按照IEC风电机组安全规范进行了载荷设计,设计叶片通过了中国船级社认证。

关键词:风力机复合材料叶片气动外形载荷设计

1引言

风力发电技术是当今各种可再生能源利用中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的一种。为了寻求替代石化燃料的能源和减少二氧化碳及污染气体的排放,包括我国在内的许多国家都在大力发展该项技术。为了提高发电效率,风力发电设备正不断朝着大型化方向发展,其主要机型的额定功率从以前的几百千瓦级发展到现在的1~3MW,甚至更大。风力机功率的加大使得其叶轮的直径不断加大,目前一台1.5MW风力发电机的叶轮直径可达80m左右。与此同时,还需要使其尽可能的轻巧和高效,这就使得风力机叶片的设计变得非常复杂。

我国近年来对风力发电等可再生能源的发展非常重视,风电产业发展迅速,截至2008年12月31日,我国除台湾省外新增风电机组5130多台,新增装机容量约624.6万kW,当年新增装机增长率为89%,累计装机容量约1215.3万kW,建立了一批新的大型风电机组生产线[1]。但在风电产业蓬勃发展背后,却存在着大型风电机组自主设计生产能力不足的问题,国内众多叶片厂商虽然完成了叶片制造的国产化,设计技术却往往掌握在国外设计公司手里,特别是大容量风力机的能力。本文针对2MW风电机组叶片,完成了叶片的外形设计和载荷计算。

2 叶片的气动外形设计

叶片的气动外形设计是指叶片采用的翼形族、剖面弦长、扭角、相对厚度沿叶片长度方向的分布。由于风轮数值计算的网格数量大,网格生成困难、耗时等特点,同时气动设计要根据后续的计算进行优化,将其应用于叶片气动外形设计还有一定距离,现有工程计算及设计的基础仍然是动量叶素理论,它也是目前国际风电行业性能、载荷计算软件的理论基础。

2.1设计参数

设计参数一般由叶片厂商根据风电机组总装厂的要求,同时根据市场上同类叶片运行参数确定部分主要的设计参数。因为叶片设计出来是要面对市场的,如果主要参数差异较大,则面临市场面较窄,从面影响企业的发展。叶片设计参数包括风电机组风轮参数和叶片本身的技术参数,一般包括:

(1)风轮叶片数。由于三叶片的风电机组的运行和输出功率比较平稳,现代MW级风电机组一般为三叶片,二叶片比较罕见。

(2)额定风速。直接影响到风力机的尺寸和成本,在此风速下,风力机组输出额定功率。知道了平均风速和风速的频度,就可以按一定的原则来确定风速的大小,一般由风电机组整机厂商根据风场的勘测数据确定。

(3)风轮直径。由叶片适用的风区,如果是IECI类风区,额定风速较高,风轮直径会较小;相反,如果是IECII类风区或更差,要求额定风速会更低,风轮直径更大。确定了风轮直径,根据轮毂半径及风轮锥角等可得出叶片的长度。

(4)风轮转速。一般应先确定叶片运行的尖速比范围,在设计的尖速比上,所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值,以及风轮效率达到最大值。目前运行的大功率风机都具有较高的尖速比,在6~8范围内,此类风机具有较高的风能利用系数,同时较高尖速比的风力机叶片成本也低。根据风轮设计风速和发电机转速确定的尖速比应在此范围内。由于控制气动噪声的原因,叶尖线速度一般在70m/s附近(海上风电机组略有放开),这决定了风轮的最大转速。

(5)风轮仰角和风轮锥角,防止叶尖与塔架碰撞。

(6)翼形族的选择。失速型叶片必须选择失速性能优良的翼型,变速变距叶片一般选择具有良升阻比特性的翼型。为满足结构设计的需要,叶片根部一般选用大厚度翼型,其相对厚度根据强度要求从根端的100%(圆形)过渡到40%左右。翼型的空气动力学特性是叶片气动设计的基础参数,风力机叶片的运行迎角范围是-180°~180°,雷诺数的范围也比较宽,在106~107之间。

2.2动量叶素理论

2.2.1动量理论

动量理论(MomentumTheory)定义了一个通过风轮平面的理想流管,见图1,点击浏览下一页点击浏览下一页点击浏览下一页分别表示来流风速、流过风轮风速、风轮后尾流速度[3]。

点击浏览下一页
图1动量理论理想流管

应用动量方程和伯努力方程可以推导出轴向力T和风轮转矩Q的表达式:

点击浏览下一页

 

点击浏览下一页

式中: 轴向诱导因子 点击浏览下一页
             切向诱导速度点击浏览下一页
             P为空气密度;
             u为风轮平面风的角速度;
            Q为风轮的角速度;
             R为风轮平面的半径[2]。

2.2.2叶素理论

叶素理论(BladeElementTheory)的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段,称这些微段为叶素。假设在每个叶素上的流动相互之间没有干扰,即将叶素看成二维翼型,这时将作用在每个叶素上的力和力矩沿展向积分,就可以求得作用在风轮上的力和力矩。

点击浏览下一页
图2叶素上的气流速度三角形和空气动力分量

由图上速度三角形可导出:

点击浏览下一页(1)

 

点击浏览下一页(2)

计算法向力系数点击浏览下一页和切向力系数点击浏览下一页

 点击浏览下一页点击浏览下一页(3)

其中Cl、Cd为叶素翼型的升力系数和阻力系数。

长度为点击浏览下一页叶素上的空气动力合力点击浏览下一页可以分解成法向力点击浏览下一页和切向力点击浏览下一页

点击浏览下一页

 

点击浏览下一页

这时,作用在风轮平面点击浏览下一页圆环上的轴向力(推力)和转距可表示为:

 

点击浏览下一页
点击浏览下一页点击浏览下一页(4)

2.2.3动量叶素理论

动量一叶素理论(BEMTheory)结合动量理论和叶素理论,计算出风轮旋转面中的轴向诱导因子a和周向诱导因子b。

点击浏览下一页(5)

 

点击浏览下一页(6)

2.3普朗特修正因子[3]

加入普朗特叶尖和叶根修正因子F,式(5)(6)变成:

点击浏览下一页(7)

 

点击浏览下一页(8)

2.4Glarert修正因子[4]

当风轮叶片部分进入涡环状态时,动量方程不再适用;这时,引用Glarert修正方法。

当a>0.2时,a由下式计算;

点击浏览下一页(9)

式中,点击浏览下一页点击浏览下一页

2.5气动外形设计计算过程

入流因子计算流程如下:①给定a、b的初值,取a=0.3,b=0;②利用式(1)计算入流角;③利用式(2)计算迎角;④根据翼型空气动力特性表得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd;⑤根据式(3)计算叶轮平面法向力系数Cn和切相力系数Ct;⑥利用式(7)、(8)计算a、b的新值;⑦比较a、b的值与上一次a、b的值,如果误差小于设定误差(0.001),则迭代终止;否则,再回到2步继续迭代;⑧迭代中,若a>0.2时,利用式(9)计算。

进一步可求得风轮平面圆点击浏览下一页环上的轴向力dT(推力)和转距dM,对三叶片的叶素分量求和可以计算出风轮的转矩M,主轴功率P和推力T,并计算出风轮风能利用系数Cp和推力系数CT[2]。

2.6优化设计

利用直接优化的方法,基于动量叶素理论建立优化设计的数学模型,是一个单目标多变量的最优化设计数学模型:

点击浏览下一页

式中Cp为风电机组风轮风能利用系数,λdesign为设计叶片尖速比。

设计变量是没展向变化的剖面弦长c、扭角θ和相对厚度tr,约束条件是各变量的上下限值以及叶片厂商提出的约束。

2.7实例设计

下面就我院自行设计的2MW风电机组叶片,验证气动设计的结果。由厂家提出的叶片设计的参数如下:

参数

量值

风轮直径(名义值max),m

82

叶片数目

3

额定功率,kW

2000

切入风速(10分钟),m/s

4

额定风速(10分钟),m/s

14

切出风速(10分钟),m/s

25

适用风区

IECII类

仰角,deg

6

锥角,deg

2

安装角,deg

0

转动方向

顺时针(沿风向看)

风向

上风向(沿风向塔架在风轮后面)

传动方式

增速箱

气动调节

变桨距

风轮转速范围,rpm

9.7rpm~16.78rpm

发电机额定转速,rpm

1678

叶片长度(名义值)

40

 

设计目标为风轮最大风能利用系数达到0.48。

该叶片翼形族采用NACA634系列翼型,并在此基础上提出了修改,增加后缘的厚度,在提升翼型升力的同时,增加叶片的侧向刚度,翼形升力系数和阻力系数由GarradHassen公司进行了校正。

经过几轮优化设计,并与结构计算相协调,确定了叶片的气动外形。

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图3 2MW叶片的外形尺寸

完成外形设计后,由Bladed[5]软件进行了气动性能校核计算:

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图4不同安装用下的风能利用系数曲线

计算结果表明:最大风能利用系数达到0.482,发生在尖速比8.4附近,满足设计目标。在6.75~10.75的尖速比范围内,风能利用系数都超过0.45。

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图5风电机组功率曲线

由图5可以看出,在12m/s的风速时,已达到额定功率2MW,留有较大的风速空间。

3 叶片的载荷分析

由于风力发电机运行在复杂的外界环境下,所承受载荷情况也非常多,根据风力机运行状态随时间的变化,可以将载荷情况划分为静态载荷、动态载荷和随机载荷。动态载荷和随机载荷具有时间上和空间上的多变性和随机性,要想准确计算比较困难。而静态载荷基本上不考虑风力机运行状态的改变,仅考虑环境条件改变的情况,现就风力机的这种静态载荷计算作一简要讨论。

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图6叶片载荷计算坐标系

风力机依靠叶轮将风中的动能转化为机械能,叶轮是风力机最主要的承载部件。叶轮主要承受三种力:空气动力、重力和离心力。具体的计算方法参见相关文献[2],这里不再赘述。

载荷计算是后续结构计算和试验的基础,本文在计算时,参照IEC61400-1Ed2《Windturbinegeneratorsystems-Part1:Safetyrequirements》计算,具体的工况设计见下表1。

表1IEC设计载荷工况

Desing

DLC

Wind condition

Other conditions

Type of
analysls

Parial
Safety
factors

1) Power production

1.1

NTM   Vhub=VrorVout

 

U

N

1.2

NTM   Vin﹤Vhub﹤Vout

 

F

 

1.3

ECC    Vhub=Vr

 

U

N

1.4

MWP   Vhub=VrorVout

External electrical fault

U

N

1.5

EOG1   Vhub=VrorVout

Loss of electrical
connection

U

N

1.6

EOG00  Vhub=VrorVout

 

U

N

1.7

EWS   Vhub=VrorVout

 

U

N

1.8

EOCSO  Vhub=VrorVout

 

U

N

1.9

ECG   Vhub=Vr

 

U

N

2) Power production
plus occurrence of fault

2.1

NWP   Vhub=VrorVout

Control system fault

U

N

2.2

NWP   Vhub=VrorVout

Protection system or
Preceding internal
Electrical fault

U

A

2.3

NTM   Vin﹤Vhub﹤Vout

Control or protection
System fault

F

 

3) Start up

3.1

NWP   Vin﹤Vhub﹤Vout

 

F

 

3.2

EOG1    Vhub= Vin Vror
Vout

 

U

N

3.3

EDC1    Vhub= Vin Vror
Vout

 

U

N

4) Mormal shut down

4.1

NWP   Vin﹤Vhub﹤Vout

 

F

 

4.2

EOG1    Vhub=VrorVout

 

U

N

5) Emergency shut
down

5.1

NWP   Vhub=VrorVout

 

U

N

6) Parked (standing still
or idling)

6.1

EWM   Vhub=Vrso

Possible loss of
electrical power
network

U

N

6.2

NTM    Vhub﹤0.7Vref

 

F

 

7) Parked and fault
conditions

7.1

EWM   Vhub=Vel

 

U

A

8) Transport, assembly,
Maintenance and repair

8.1

To be stated by the
manufacturer

 

U

T

每个分类工况下,按照方位角或入流角或来流风速的不同,又有多种工况。在工况设计完毕,利用Bladed软件进行动态模拟之后,对叶片上的载荷进行统计和分析,得出极限载荷下叶片上的弯矩分布;同时进行按Weibull风速风布,进行20年寿命里的雨流统计,得出其载荷谱,然后按等效损伤原理进行等效疲劳载荷计算,得出叶片的等效疲劳载荷谱,并在此基础上计算叶片的疲劳损伤和进行疲劳试验。

结合本例,2MW叶片没展向的极限载荷弯矩图如下:

点击浏览下一页 点击浏览下一页
图7 2MW叶片拍动方向极限弯矩分布 图8 2MW叶片挥舞方向极限弯矩分布

4 结论

(1)本文以动量-叶素理论为基础,并结合结构计算的要求,进行了大型风力机复合材料叶片的气动外形设计,并用Bladed软件进行了气动性能分析,结果满足设计要求。

(2)按照IEC风电机组安全规范进行叶片的工况设计和载荷计算,得出叶片的极限载荷和疲劳载荷,介绍了载荷计算的方法与结果的分析。

(3)2MW风电机组叶片的设计已通过了中国船级社产品认证部的认证,验证了气动设计和载荷分析的正确性,为我国风电叶片的国产化奠定技术基础。

 

参考文献

[1]施鹏飞.2008年中国风电装机容量统计[J].《中国风能》,2009年第一期.

[2]陈云程.风力机设计与应用[M].上海:上海科学技术出版社.1998.

[3]LPrandtl,OGTieQens.AppliedHydroandAeromechanics.DoverPublication,1957

[4]HGlauert.WindmillandFans.AerodynamicsTheory(EditedbyD.W.F.Julius).SpringerPress,1935

BossanyiEA.GarradbladedforWindows(TheoryManual)[M].England:HassanandPartnersLimited,1999.66~68.

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