任孔明

(河海大學(xué) 江蘇南京 211100)

在諸多可再生新型能源的技術(shù)開(kāi)發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電占據(jù)突出的地位，其具有重要的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值和良好的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，在21世紀(jì)得到前所未有的發(fā)展。隨著生存環(huán)境的惡化，世界各國(guó)組織呼吁對(duì)新型環(huán)保綠色能源的大力開(kāi)發(fā)利用，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和政府的大力提倡，極大地推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

1 風(fēng)力機(jī)葉片研究現(xiàn)狀

1.1 葉片翼型

風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的影響因素有很多，空氣掠過(guò)葉片翼型，其產(chǎn)生的升力將直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的高低。在諸多的葉片參數(shù)影響中，翼型是最重要的。翼型型號(hào)的選擇對(duì)風(fēng)力機(jī)的效率至關(guān)重要，翼型的選取應(yīng)盡量使升阻比接近最大值，使其升阻比曲線受葉片數(shù)量或葉尖速比λ的影響也越小，這樣才能保證葉片效率的最大化。

20世紀(jì)30年代后期，美國(guó)在翼型領(lǐng)域做了系統(tǒng)化的科學(xué)研究，提出了著名的NACA四位數(shù)翼型族和五位數(shù)翼型族。從四位數(shù)翼型的編號(hào)，即可直接看出翼型的某些幾何特征參數(shù)：彎度、最大彎度位置以及厚度。[1]

1.2 葉片材料

葉片材料的剛度和強(qiáng)度是葉片材料各類參數(shù)中的關(guān)鍵。世界上常見(jiàn)的風(fēng)力機(jī)葉片材質(zhì)有：木制及布蒙皮材料、鋼梁玻璃纖維蒙皮材料、玻璃鋼復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料。

玻璃纖維樹(shù)脂復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成本較低、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大中型風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)材料的首選?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展趨向?yàn)槌笮突洼p量化，即在滿足超大型葉片的同時(shí)也應(yīng)保證葉片整體的重量較輕，因此玻璃鋼復(fù)合材料將不再能滿足現(xiàn)代新型風(fēng)機(jī)葉片的性能需求。而碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一難題，其表現(xiàn)出優(yōu)良的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，迅速大量應(yīng)用到了超大型風(fēng)機(jī)葉片中。

1.3 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在應(yīng)用相關(guān)空氣動(dòng)力學(xué)和理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)，在同等條件下追求葉片重量的最小化，進(jìn)一步尋求葉片掃風(fēng)面積的最大化，增強(qiáng)葉片的捕風(fēng)本領(lǐng)，從而提升風(fēng)能利用效率?，F(xiàn)代小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多為實(shí)心結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片則采用“型鋼主梁+蒙皮外殼+填充物”的結(jié)構(gòu)形式[2]。

1.4 本課題研究?jī)?nèi)容

本論文課題的研究?jī)?nèi)容是基于空氣動(dòng)力學(xué)的理論，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)特性，使葉片風(fēng)能利用系數(shù)最大化提高，從而提高風(fēng)力發(fā)電效率，進(jìn)一步帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文擬以大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合動(dòng)量理論、葉素理論等基本原理和算法，研究基于翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性曲線分析風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)的基本原理

2.1 動(dòng)量理論

動(dòng)量理論作為風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的基本原理之一，在起動(dòng)圓盤模型的理論基礎(chǔ)和假設(shè)條件上，利用Bernoulli方程和能量守恒定律，計(jì)算出氣體流速、和氣流動(dòng)量的變化率來(lái)探究力與來(lái)流風(fēng)速之間的聯(lián)系：

由Bernoulli方程計(jì)算，可以得到最終關(guān)系：

Uw=(1-2a)U∞

如圖1所示，氣流在流過(guò)制動(dòng)盤時(shí)的能量損失表現(xiàn)在軸向和下風(fēng)向。

圖1 能量吸收制動(dòng)槳盤和氣流管狀圖

2.2 葉素理論

葉素理論的核心就是將風(fēng)輪葉片理想模型化，將其細(xì)分成諸多葉素，對(duì)每個(gè)葉素掠過(guò)的圓環(huán)上做出基本假設(shè)：每個(gè)圓環(huán)都可作為一個(gè)獨(dú)立的單元體，符合起動(dòng)圓盤理論模型，以同樣的方式運(yùn)作。在同一個(gè)徑向上，每個(gè)葉片元素的推力和轉(zhuǎn)矩都與軸向和角動(dòng)量的變化率相等。

分析發(fā)現(xiàn):① 管道的變形是對(duì)稱的,位移以縱向位移(y軸)為主,最大位置在對(duì)稱面處;② 在埋地段,管道在上覆土體壓力作用下發(fā)生了橢圓化形變,使得管-土接觸部位出現(xiàn)了水平徑向(x軸)變形,所敷設(shè)的土體在管道作用下也出現(xiàn)相應(yīng)程度的下沉,逐漸變得更加夯實(shí);③ 管道頂部底部受到的應(yīng)力較大,是結(jié)構(gòu)分析的控制性截面,比較危險(xiǎn)也易于破壞;④ 管道的最大應(yīng)力發(fā)生在埋地和懸空的交界面附近;⑤ 在埋地和懸空的交界面的管土下接觸面處,土體應(yīng)力和軸向變形都比較嚴(yán)重,是土體易坍塌的危險(xiǎn)區(qū).

2.3 動(dòng)量-葉素理論

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的兩個(gè)重要參數(shù)是軸向誘導(dǎo)因子a和切向誘導(dǎo)因子a’，使用動(dòng)量-葉素理論和能量守恒原理可以求解這兩個(gè)參數(shù)。計(jì)算的初始條件是假設(shè)各個(gè)葉素單位之間相互不受影響，如圖2所示，各圓環(huán)之間無(wú)徑向干擾，因此軸向誘導(dǎo)因子a不沿徑向方向變化。

葉片實(shí)度σ為葉片占(r)葉輪總面積(Nc)的比值，葉片弦長(zhǎng)實(shí)度σr為某一半徑處葉片弦長(zhǎng)占葉輪圓周總長(zhǎng)的比值，表達(dá)式如下[3]：

葉素-動(dòng)量理論僅適用于軸向誘導(dǎo)因子α保持不變的情況下，因?yàn)榇藭r(shí)旋轉(zhuǎn)葉輪中各葉片長(zhǎng)度相等。若葉片長(zhǎng)度不相等則會(huì)導(dǎo)致各葉片在徑向上相互干擾，將不再滿足動(dòng)量理論成立的基本條件。

圖2 圓環(huán)形葉素單元

2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：Glauert理論法和Wilson理論法

目前世界上風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)上應(yīng)用廣泛、技術(shù)最成熟的兩種算法分別為Glauert算法和Wilson算法。Glauert法基于葉素理論，多應(yīng)用于現(xiàn)代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。該理論在計(jì)算過(guò)程中引入軸向和切向誘導(dǎo)因子a、a’，但忽略了葉片翼型的阻力和葉梢損失對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響。[3]

Wilson方法在設(shè)計(jì)葉片時(shí)將葉梢損失和翼型的升阻比對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響考慮在內(nèi)，還將風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能也考慮在內(nèi)，所以說(shuō)Wilson方法基于Glauert方法且比Glauert法計(jì)算更精確合理、應(yīng)用范圍更廣。因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片翼型及氣動(dòng)系數(shù)的選取

3.1 翼型的幾何參數(shù)

翼型的最前端點(diǎn)前緣點(diǎn)與最后端點(diǎn)后緣點(diǎn)之間的連線稱為翼型的幾何弦，翼型的弦長(zhǎng)記為b，定義為前緣至后緣的距離或者前后緣在弦線上的投影之間的距離。[1]

如圖3所示，翼型上、下表面用弦線長(zhǎng)度的相對(duì)坐標(biāo)的函數(shù)表示：

圖3 翼型表面的無(wú)量綱坐標(biāo)

圖4 翼型的形狀

3.2 翼型的空氣動(dòng)力學(xué)特性

3.21 作用在翼型上的氣動(dòng)力

為研究方便，均假設(shè)葉片靜止處于均勻來(lái)流速度。翼型所受的力可以分解為上下表面兩部分作用力。升力和阻力通常表為量綱一的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd，

3.2.2 升力系數(shù)和阻力系數(shù)變化曲線

葉片翼型的空氣動(dòng)力學(xué)特性在絕大多數(shù)情況下決定了轉(zhuǎn)速高的風(fēng)輪的效率和控制特征。反映翼型特征最重要的參數(shù)為升阻比(L/D)(升力/阻力)，即

翼型的外部形狀和攻角α是影響翼型升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD的兩個(gè)重要因素。CL、CD與α的關(guān)系曲線如圖5[4]所示。

圖5 CL、CD與α的關(guān)系曲線

圖6 CL與CD的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

如今，全世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都面臨能源資源短缺，其造成社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大的限制。21世紀(jì)全球新能源行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，在目前眾多可再生能源和新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電獨(dú)樹(shù)一幟，具有重要的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，逐步受到世界各國(guó)的高度重視。

我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電核心技術(shù)上較歐美國(guó)家有一定的差距，尤其體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)葉片翼型、風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的研究等方面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部位是風(fēng)輪，而風(fēng)輪葉片的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響到了整個(gè)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，所以在風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)上需要符合更高的標(biāo)準(zhǔn)。本文基于傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)理論和流體力學(xué)理論，結(jié)合現(xiàn)代Glauert算法和Wilson算法，以及動(dòng)量-葉素理論知識(shí)，側(cè)重于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)的參數(shù)選定和優(yōu)化。

本論文的研究?jī)?nèi)容及總結(jié)如下：

(1)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及相應(yīng)教材的收集整理，歸納總結(jié)出了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，介紹了風(fēng)力機(jī)的組成、分類、結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的翼型選型、葉片材料選取和葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概況。

(2)深入結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)，包括動(dòng)量理論、葉素理論、動(dòng)量-葉素理論以及風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Glauert算法和Wilson算法，利用葉片翼型的氣動(dòng)特性和升阻比曲線等數(shù)據(jù)和圖像，尋求風(fēng)能利用率的最大化。

(3)簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾種翼型以及其對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力特性，使用Profili軟件分析NACA6413型翼型的幾何參數(shù)和圖像，簡(jiǎn)單介紹了新型玻璃鋼復(fù)合纖維材料和碳纖維復(fù)合材料等葉片材料的特性。