对转风力机的设计及流场数值模拟

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

进入21世纪以来，随着人口的迅速膨胀以及经济的高速发展，传统能源供应渐趋紧张，环境问题 日益突出，能源短缺和环境压力已成为当今世界各国面临的重大难题-发利用新能源和可再生能源已成为人类社会的共识∩再生能源包括风能、太阳能、地热能、海洋能等。其中，从技术成熟度以及经济可行性来看，目前发展最快、技术最成熟、商业化最广泛、经济上最适用的当数风能。

风能的利用形式包括以风能作动力和风力发电两种，其中，风力发电是风能的最主要利用形式 j。依据贝氏理论，单排风轮从自然界获得的收稿13期： 2012-06-04 修稿 日期 ： 2013-02-26能量理论上为59.3%，而 目前大多数风力机只能提取风功率的40% 或更少，其余部分则转化为尾流中的旋转动能，并且这种非定常流动，对风轮、塔架的稳定运行造成不可避免的影响，风能的利用率很低，所以，提高风能利用系数是-个值得研究的问题。提高风能利用系数的方法很多，例如，叶尖加小翼，叶片加襟翼，翼型喷气改型，设计对转风力机等 ]。本文主要从对旋这个角度人手，设计对转风力机来提高总的风能利用系数。对转风力机在保持单机面积的前提下将风能进行二次利用，提高了原有单机面积内的风能利用系数，提高了风场的空间利用率，相比单转子风机有着明显的优势 。

2013年第41卷第 5期 流 体 机 械2 单转子风力机的设计方法2.1 设 计 方法对转风力机的设计包括对前方风轮的设计和后方风轮的设计，由于前方风轮处于均匀来流条件下工作，所以前方风轮的设计和普通的单转子风力机设计方法-样，包括简化设计方法、Glauert优化设计方法和 Wilson方法。后方风轮的设计在普通单转子设计方法的基础上，考虑前方风轮尾流的影响，对传统设计方法进行改进。

目前国内外单转子设计用得最为普遍的方法是Wilson方法，该方法对 Glauert设计方法作了改进，研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，还 研究 了风 轮在非设计状 态下的性能 ]。

2.2 基本关系式考虑到升阻比对轴向和切向干涉因子影响较小，故在设计气动外形时本方法不计阻力影响，但考虑梢部损失的影响，可以得到如下关系式 ]：8rs in 1 (1) (- 口) 、BCCL 1 b (2) 81Trc0s ( )0(1-aF)6(1b)A (3)式中 --叶片数C--弦长c --升力系数- - 气流角0--轴向干扰因子6--周向干扰因子A--尖速比 叶梢损失系数叶梢损失系数可由下式确定：F三arccos(e ) (4)f B面R- r (5)tan (6) 上Wilson方法考虑梢部损失，局部风能利用系数可由下式确定：dCp 6(1-口) 。dA (7) 0式中 A。--设计尖速比要使风能利用系数c 的值最大，就要使每个叶素的 dA值达到最大。因此可以用迭代法计算干涉因子口、b，使干涉因子 口、b在同时满足能量方程的条件下使 c 达到最大值～ n、b、 、F代入弦长、扭角公式可得弦长和扭角。弦长、扭角公式如下：c- (8)0 -Ot (9)式中 --最佳攻角- 扭角3 对转风力机设计及性能参数预估3.1 设计 方 法在 Wilson等基本理论方法的基础上，通过-定的改进得到了双转子风力机的设计方法。设计对转风力机的-个主要参数是总的风能利用系数，这个参数决定着对转风力机性能的好坏。这个参数主要由前方风轮和后方风轮贡献。

根据理论，气流流过前方风轮后流线会扩张，图 1为气流流过转轮的示意 J。

P e图 1 气流流过转轮的不意基于以下 3个因素，有必要研究半径比对总的风能利用系数的影响：(1)后方加-个风轮能够进-步利用尾流中的能量。

(2)风力机靠近轮毂区域风能利用系数小，因此前方加小转子可利用半径较小区域的风能，而对后方大转子影响有限。

(3)如果前后半径相差过大则会更加接近于后方单转子的情况，不会显著改善总的风能利用系数。

设前方风轮半径为尺 ，后方风轮半径为 ，两转子半径比KR2/R，FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013当前方风轮转子半径小于后方风轮转子半径(K>1)时：d [4叩 6F (1-Ⅱ)r3drI4，trpFlb～F V1×(1-n，)r ]/( 竹R ) (10)n - -Ao-VlRA2VI(11)(12)式中 p--空气密度，- - 前方转子旋转速度- - 后方转子旋转速度当两个风轮的间距比较近时，假设从前方风轮出口到后方风轮进口轴向速度不变，则：口 n (13)dCp 苎 dA。 d ldcp28b (1-n .3Fd 。苎 dA。

dGP2 8b (1-口 3。FCp f0 d-A： (17) J-- -- -， I，J要使dCp取得最大值就得使dCp。和dCv2分别取得最大。所以以 dCp，、dCp2为 目标 函数，采用Wilson方法可以设计前方、后方风轮叶片。当前方风轮转子半径大于后方风轮转子半径(K<1)时 ：dc [4"trp$'lbFVl(1-0)r dr14，rpf'lb F VI×(1-0 )r23dr2]/( 1 I，，311r 21) (18) (19)r (20，gA./) ， --------- ，当2个风轮的间距比较近时，假设从前方风轮出口到后方风轮进口轴向速度不变，则：口 口 (21)dcp。苎 dA。

dCP2 8b (1-口 ) A23FⅢk： (24)同样以dC OCt2为 目标函数，采用Wilson方法可以设计前方、后方风轮叶片。

3.2 性能预估影响对转风力机总的风能利用系数的因素包括两个转子的直径比、转速比以及间距，本文主要考虑直径比的因素，分析直径比对总风能利用系数的影响 。

分别计算尖速比为5、6、7、8、9、10情况下不同半径比 时的总的风能利用系数情况。图 2为不同尖速比下总的风能利用系数 C。与半径 比的关系。

K图2 不同尖速比下总的风能利用系数与半径比的关系从图2中可以看出，总的风能利用系数随着对转风力机 2个转子的半径比先增大，后减小，当半径比为 1.5时总风能利用系数取得最大值，所以，两个转子的最佳半径比在 1.5左右，后方风轮转子的半径大于前方风轮转子的半径。当K<1时，后方转子全部处于前方转子尾迹区内，因此后方风能利用系数偏低，总的风能利用系数增加有限；当K>1时，后方大转子半径大的区域受到前方尾迹影响小，且靠近轮毂区域即使均匀来流风能利用就小，这样布置有利于总的 C 提升；当>1过多时，前方小转子相比后方大转子相比迎风面过小，更加接近于后方单转子的情况，因此总的c。又会下降，故会存在最佳的 。

4 对转风力机三维数值验证(22)鉴于之前的设计及分析，在本节的数值模拟， 部分，只针对最佳K的情况进行模拟和分析。

4. 1 总体参数的确定) ) ) ：2( ( ( 2 2013年第41卷第5期 流 体 机 械4.1.1 设计功率设计-个小型对转风力机，功率定为10kW。

4.1.2 风轮叶片数3叶片风力机在高尖速比运行时有较高的风能利用系数，风力发电机的运行和输出功率比较平稳，目前小型风力机采用 3叶片的较多，所以，单个风轮的叶片数为3片。

4.1.3 设计风速根据风场风速年分布隋况，设计风速定为8m/s。

4.1.4 风轮半径P÷ 嵋订D 叼 0.49 D 叼2求得后方风轮半径为5.3m，根据半径比为1.5得前方风轮半径为3.533m。

4.1.5 风轮转速前方： l(A0Vi)/R115.85rad/s后方：∞2(A0 )/R210.566rad/s表 1为总体参数。

表 1 总体参数项目 数值设计功率(kW) 10西风轮叶片数 各3片设计风速(m/s) 8前方风轮半径(m) 3.533后方风轮半径(m) 5.3两风轮尖速比 7前方风轮转速(rad/s) 15.85后方风轮转速(rad/s) l0.566设计前、后方单转子风能利用系数 0.44.2 外形参数的确定两转子的直径比K1.5，转动方向相反，由Wilson法可以确定叶片的弦长和扭角沿叶高的分布情况。图3为叶片剖面弦长沿叶高的分布情况。图4为叶片剖面扭角沿叶高的分布情况。

图3 叶片剖面弦长沿叶高的分布情况图4 叶片剖面扭角沿叶高的分布情况4.3 性能计算在这-节，采用对比的方法，模拟和分析单转子风力机与对转风力机性能的差异。

划分计算域并采用 gambit软件进行网格的划分，其中内域网格数为 129万，外域网格数为43万，采用单参考系模型处理风轮旋转域与周围静止域之间的问题，进口和外边界的边界条件设定为速度进口，出口设为压力出口，叶片设定为无滑移壁面J。计算域及边界条件如图5所示。

图5 单转子风力机计算域及边界条件采用Fluent计算在额定转速∞10.566rad/s时后方风轮的扭矩M1194N·m，该力矩为使风轮旋转的有效力矩。则：c ： - ： 丝 (25)11r 1 I，31TR由上式计算得：CD0.45采用 Fluent软件计算前方风轮在额定转速15.85rad/s时的扭矩M274N·m，计算得 c0.35。

采用同样的方法对对转风力机进行计算域的创建和网格的划分，其中内域网格数为195万，外域网格数为43万，采用多参考系模型处理两个转动方向相反的风轮旋转域与周围静止域之间的问题，边界条件和单转子的边界条件设定情况相同，计算域及边界条件如图6所示。

2013年第41卷第5期 流 体 机 械 27- 。。 -- . mf/l∞%叶高/75%Ⅱf高图 1O 前方叶片各叶高处截面压力系数分布由压力系数分布图可以看出，叶片展长方向上从叶根到叶尖压力在逐渐增大，压差较大的部分主要集中在翼型的1/4弦长位置，压力面的压力系数增幅没有吸力面-侧的压力降幅大，可知在叶片展长方向上从叶根到叶尖压力差也越来越大。

(a)r/Rl0.25150 j/10% l 高 叶高图I1 后方叶片各叶高处截面压力系数分布单转子风力机和对转风力机前方风轮不同叶高处的压力系数分布如图 12所示。从图 l2可以看出，在同样叶高处，在每个位置对转风力机前方风轮的压差都比单转子力机的小，压差差别最大的部位在叶尖。

位置(m) 位置(m)(e)r/Rl：O.75 (d)r/Rl1.0图12 单转子风力机和对转风力机前方风轮不同叶高处的压力系数分布从数值计算结果看，前方叶轮的风能利用系 -定的影响，前方风轮没有处于最佳工作状况点，数没有达到最佳，原因是后方风轮对前方风轮有 它的最佳工作状况点偏离了设计点。

28 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，20135 结论(1)对转风力机的总的风能利用系数随着两个转子的半径比发生变化，当两转子的半径比在1.5左右时，总的风能利用系数达到最大。当<1时，后方转子全部处于前方转子尾迹区内，因此后方c 偏低；当K>1时，后方大转子半径大的区域受到前方尾迹影响小，且靠近轮毂区域即使均匀来流风能利用就小，这样布置有利于总的 c。

提升；当K>1过多时，前方小转子相比后方大转子相比迎风面过小，更加接近于后方单转子的情况，因此总的c 又会下降，故会存在最佳的 ；(2)半径比为 1.5的对转风力机，数值计算得到的总风能利用系数达到了0.52，比单转子风力机风能利用系数O.45提高了 15.6%，风能利用系数有-定的提高；(3)当对转风力机两个转子在额定转速条件下工作时，前方风轮不处在最佳工作状况点。后方风轮对前方风轮叶尖有很大。