1MW海上大型風(fēng)力機氣動設(shè)計

孫雷 雷瑋劍 張智偉 胡丹梅

摘 要

根據(jù)1MW海上大型風(fēng)力系統(tǒng)的氣動設(shè)計要求，選取風(fēng)輪葉片數(shù)目，進而確定了葉尖速比和風(fēng)輪直徑，在葉片不同長度處選擇WA系列不同的翼型。計算結(jié)果表明，風(fēng)力機功率滿足氣動設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞

海上大型風(fēng)力機;風(fēng)機葉片;WA系列翼型;氣動設(shè)計

中圖分類號： TK83? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.019

隨著清潔能源利用技術(shù)的大力發(fā)展，風(fēng)能的開發(fā)與利用，尤其是海上大型風(fēng)電技術(shù)，已開始倍受世界各國的青睞與重視。本設(shè)計方案采用了目前應(yīng)用最為廣泛的水平軸式風(fēng)力機形式，針對1MW海上大型風(fēng)力系統(tǒng)風(fēng)輪的基本幾何尺寸與動力要求，對葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、葉尖速比、翼型等參數(shù)進行了氣動設(shè)計。

1 風(fēng)力機設(shè)計基本定義

葉片投影面積：葉片在風(fēng)輪掃掠面積上的投影的面積呈葉片投影面積。

葉片翼型：葉片橫截面的形狀。

葉片幾何攻角：翼型氣流方向與翼型弦線之間的夾角，用α表示。

風(fēng)輪掃掠面積：風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積。

風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速：輸出額定功率時，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。

葉尖速比：葉片尖部旋轉(zhuǎn)時的切向速度與風(fēng)輪前來流的風(fēng)速之比，用λ表示。

2 風(fēng)力機氣動設(shè)計基本參數(shù)

2.1 風(fēng)力機給定參數(shù)

設(shè)計安裝地點：上海市東海大橋附近地區(qū)。

風(fēng)力機額定功率：1MW，設(shè)計風(fēng)速8m/s。

風(fēng)場空氣密度為1.21kg/m3。

有效風(fēng)速小時數(shù)約8450小時/年。

海面以上90米高的年平均風(fēng)速約8.6m/s 。

2.2 年平均風(fēng)能密度的確定

3 風(fēng)力機幾何尺寸的確定

風(fēng)力機的幾何尺寸與風(fēng)力機使用目的以及使用地風(fēng)況相關(guān)。東海大橋地區(qū)屬于風(fēng)能豐富區(qū)域，需連接高轉(zhuǎn)速發(fā)電機。為了避免齒輪箱增速比過高，需要風(fēng)輪采用較高的轉(zhuǎn)速，故選擇高葉尖速比值λ的風(fēng)輪，使風(fēng)力機具有較高的功率系數(shù)。一般，高速風(fēng)輪的λ=5～8，根據(jù)表1，1MW海上大型風(fēng)力機系統(tǒng)選取尖速比λ=6。

3.1 風(fēng)力機葉片數(shù)確定

對于大型高轉(zhuǎn)速風(fēng)力機（λ>5），選擇葉片數(shù)時需要考慮以下原則：采用較高的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以便減少葉片數(shù)，減少風(fēng)力機成本;采用較小的齒輪箱增速比，以便降低齒輪箱的生產(chǎn)費用;葉片葉素的設(shè)計弦長c與設(shè)計的葉片數(shù)z成反比，應(yīng)合理選取這兩個參數(shù)。

選擇風(fēng)力機葉片數(shù)與風(fēng)力機的用途、尖速比存在一定的匹配關(guān)系。三葉片風(fēng)輪轉(zhuǎn)子動平衡性較好，轉(zhuǎn)子不易偏離正常風(fēng)向或搖擺運動，風(fēng)輪運轉(zhuǎn)時受干擾可能性比較低。前期設(shè)定尖速比λ=6，根據(jù)表2，本海上大型風(fēng)電系統(tǒng)選取三葉片的風(fēng)力機。

3.2 風(fēng)力機的有效功率

6 結(jié)論

本文對1MW海上大型風(fēng)力機進行氣動設(shè)計計算，用相關(guān)經(jīng)驗公式和相關(guān)關(guān)系式計算得出風(fēng)力機葉片的尺寸、風(fēng)力機功率等，計算結(jié)果表明：

（1）風(fēng)輪葉片掃掠面積為6690m2，直徑為92.2929m，轉(zhuǎn)速為10r/min。

（2）自轉(zhuǎn)動中心至葉尖，風(fēng)力機翼型選取WA系列。

（3）通過進行葉片空氣動力特性計算，得出功率為1.0224 63MW，功率系數(shù)為0.49，滿足1MW海上大型風(fēng)力機的設(shè)計功率要求。

參考文獻

[1]郭新生.風(fēng)能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007（5）.

[2]蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與運行維護[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]廖明夫，R.Gasch.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009（3）.

[4]喬志德，WA風(fēng)力機翼型族設(shè)計.