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(dòng)設(shè)計(jì)要求，選取風(fēng)輪葉片數(shù)目，進(jìn)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(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)功率滿足氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞

海上大型風(fēng)力機(jī);風(fēng)機(jī)葉片;WA系列翼型;氣動(dòng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TK83? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)方案采用了目前應(yīng)用最為廣泛的水平軸式風(fēng)力機(jī)形式，針對(duì)1MW海上大型風(fēng)力系統(tǒng)風(fēng)輪的基本幾何尺寸與動(dòng)力要求，對(duì)葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、葉尖速比、翼型等參數(shù)進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。

葉尖速比：葉片尖部旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2.1 風(fēng)力機(jī)給定參數(shù)

設(shè)計(jì)安裝地點(diǎn)：上海市東海大橋附近地區(qū)。

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

風(fēng)場空氣密度為1.21kg/m3。

有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)約8450小時(shí)/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(jī)幾何尺寸的確定

風(fēng)力機(jī)的幾何尺寸與風(fēng)力機(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)系統(tǒng)選取尖速比λ=6。

3.1 風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)確定

對(duì)于大型高轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)（λ>5），選擇葉片數(shù)時(shí)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(jī)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(fèi)用;葉片葉素的設(shè)計(jì)弦長c與設(shè)計(jì)的葉片數(shù)z成反比，應(yīng)合理選取這兩個(gè)參數(shù)。

選擇風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)與風(fēng)力機(jī)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(dòng)平衡性較好，轉(zhuǎn)子不易偏離正常風(fēng)向或搖擺運(yùn)動(dòng)，風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)。

3.2 風(fēng)力機(jī)的有效功率

6 結(jié)論

本文對(duì)1MW海上大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)關(guān)系式計(jì)算得出風(fēng)力機(jī)葉片的尺寸、風(fēng)力機(jī)功率等，計(jì)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(dòng)中心至葉尖，風(fēng)力機(jī)翼型選取WA系列。

（3）通過進(jìn)行葉片空氣動(dòng)力特性計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)功率要求。

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