基于叶素动量复合理论的小型风力机设计与实验

基于叶素动量复合理论的小型风力机设计与实验

李　岩,原　豐

1

2

(1.东北农业大学工程学院,哈尔滨　150030;2.鸟取大学工学部,日本鸟取　6808552)

摘　要:利用叶素动量复合理论设计开发了在低转速下具有高输出力矩的小型水平轴螺旋桨式风力机。同时,自行编制了风力机设计程序,并根据模拟计算结果设计制作了一台具有6枚叶片的小型风力机风轮模型,在不同风速下进行了风洞实验,测试了风力机的输出力矩和功率性能,并将实验结果进行了分析。关键词:风力机;叶素动量复合理论;风洞实验;力矩;功率中图分类号:TK83　　　　　　　文献标识码:A

文章编号:1003-188X(2009)09-0094-03

0　引言

近年来,风力发电的发展趋向于大型化,即单机功率的大容量化和风电场的大规模化;但是这种发展模式是针对风能资源丰富的地区,且要并网发电。然而,针对风资源不十分丰富,但仍为可利用的地区,如城镇周边则不适宜建设大型风电场。另外,在许多偏远地区架设电网难度大,投资高,也不适合并网发电,应发展中小容量离网型风电系统,以解决当地的能源供给问题。

本研究以开发小容量离网型风能系统为目的,选用主流的水平轴螺旋桨式风力机为对象,利用当前分析该种风力机的主要理论—叶素动量复合理论设计开发新型风力机。同时,自行编制了设计程序,并根据模拟计算结果制作了一台风力机风轮模型,进行了风洞实验,测试风力机的输出力矩和功率特性,并与计算结果进行了对比分析。

-2a)。风轮旋转面叶素速度与受力图,如2所示。

图1　叶素动量复合理论的流管模型

1　风力机设计

1.1　叶素动量复合理论

水平轴螺旋桨式风力机分析设计理论主要有叶素理论和动量理论,近年来又发展为叶素动量复合理论

[1-3]

,分析模型如图1所示。在风轮面中,选取半径

为r,厚度dr的环状流管为对象,设定来流不含有沿翼展方向的分流,各流管断面内流线均匀分布。来流风速为V0,轴线方向的诱导速度(速度减少率)为a,风轮和后流速度则分别为V=V0(1-a),V1=V0(1

收稿日期:2009-04-01

基金项目:东北农业大学科学研究基金项目(190101)

作者简介:李　岩(1972-),男,黑龙江宾县人,副教授,博士,(E-mail)ly_neau@yahoo.com.cn。

图2　风轮旋转面叶素速度与受力图

)是相对于叶素的旋转方向相对速其中,Ωr(1+a’

ω/Ω)是旋转方向速度的诱导系数;Vrel是相度;a’(0.5

对于叶素的相对风速。它与风轮旋转面所成夹角称为流入角<,翼弦与相对风速和旋转面所成夹角分别为

・94・

2009年9月　　　　　　　　　　　　　农机化研究　　　　　　　　　　　　　　　　第9期

攻角α和安装角β。沿旋转方向的成分为dQ/r。dQ是作用于叶素的转动力矩,通过叶素动量复合理论可以求出风力机的功率系数Cp,即

Ω

CP=

算机处理,原始数据采样间隔为1ms。瞬时数据采集后,输出数据为其10s内的平均值,保证数据的高信赖性,实验内容包括风力机力矩特性和输出功率实验。

(1)

0ρπλ0.5VR

可以根据式(1)进行风力机进行各种设计和计算。

30

2

0

dQ∫R

=

82

∫

λ

(1-a)a′xdx

3

1.2　风轮设计

根据上述的叶素动量复合理论,本研究编制了风力机性能分析与设计程序进行风力机开发。为了使风力机在低转速下可以获得高转动力矩,风力机采用了6枚叶片的结构,叶片翼型采用了FX63-137翼型,如图3所示。该翼型可供计算的气动参数攻角范围为-20～25°,雷诺数Re=6×10,1.0×105,1.3×10和2.6×10。风轮直径0.8m,设计叶片尖速比为3,风轮采用强化纤维玻璃钢材料,所制作风轮如图4所示。

2.2　结果分析图5　实验系统示意图

5

5

4

图6和图7是本研究所设计制作的风力机的输出力矩和功率特性的风洞实验结果。实验风速从2m/s

～15m/s的14种模式(1m/s间隔)。

图3　叶片翼型

图6　力矩特性

图4　设计制作的风轮

2　实验与结果分析

2.1　实验装置

本研究所用风洞为直流式吹出型风洞,实验段的

2

出风口面积为(1.5×1.5)m,风速范围0～25m/s。图5给出了本实验的测试系统示意图。

风力机中心与风洞的出风口中心一致,固定在下流1.5m处。风力机由带有制动器的诱导马达带动;转数由频率控制器调控,并由电磁式转数传感器检测;风速由皮托管测量。数据经过A/D转换,输入计

图7　功率特性

图6和图7中的点线表示的是额定功率为100W

的小型发电机(E010型)的力矩和功率曲线,以供对比参考。由此可以看出各风速下的风力机力矩曲线

・95・

2009年9月　　　　　　　　　　　　　农机化研究　　　　　　　　　　　　　　　　第9期

形状是相似的,只是随着风速的增加,曲线整体向右上侧位移。这说明风力机的特性规律不随风速的变化而改变。各风速下的风力机力矩与功率曲线与发电机的力矩和功率曲线的交点就是在该风速下风力机的实际输出力矩和功率。在风速7m/s以下,其交点正好在风力机各风速下曲线的最大值附近,可以发挥风力机的最大效率;而超过7m/s时,风力机的最大力矩和功率值在交点的右侧,说明此时风力机的发电量还尚未发挥最大效率。从图7可知,从风速3m/s左右便可以开始发电10W左右,7m/s时输出功率在50W附近,10m/s时以达到100W的功率。可见,即

3　结论

本研究利用叶素动量复合理论设计了一台小型水平轴螺旋桨式风力机模型,进行了风洞实验,并将实验结果与计算进行了对比。实验结果表明,所设计制作的风力机具有较理想的输出力矩和功率特性,验证了设计理论的可行性。参考文献:

[1]　Spera,D.A.WindTurbineTechnology[M].NewYork:

ASMEPress,1994.

[2]　ErichH.WindturbinesFundamentals,Technologies,Appli2

cationandEconomics[M].NewYork:SpringerPress,2000.

[3]　宫靖远,贺德馨,孙如林,等.风电场工程技术手册[K].北

使利用市场现有的发电机,本次设计也基本实现了在低风速下起动并发电的设计目标。如果继续开发与该风力机性能相匹配的发电机,便可以收到更加理想的功率输出,提高风力机的性能。

京:机械工业出版社,2005.

DesignandExperimentofaSmallScaleHorizontal-axisWindTurbineby

BladeElementMomentumTheory

LiYan,HaraYutaka

niversity,Tottori100097,Japan)

Abstract:Theobjectofthisstudyistodesignanddevelopthesmallscalehorizontal-axiswindturbinewithhightorqueperformanceatlowrotationspeedbasedonthebladeelementmomentumtheory.Accordingtothesimulatingresultsbytheprogramdevelopedinthisstudy,atestmodelturbinewith6bladeswasdesignedandmade.Windtunneltestsweremadeunderdifferentwindspeeds,andthetorqueandpowerperformanceofthetestmodelweremeasured.Keywords:windturbine;bladeelementmomentumtheory;windtunneltest;torque;power(上接第93页)

AbstractID:1003-188X(2009)09-0091-EA

1

2

(1.EngineeringCollege,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,China;2.FaultyofEngineering,TottoriU2

DesignandExperimentfortheAnti-fallTyresofDirectRiceSeeder

ShentuLiufang,SunXingzhao,ChenShufa,HanPangjun

YuantianAgriculturalMachineryResearchInstitute,Lianyungang222006,China)

Abstract:Forincreasingtheworkingefficiencyofdirectriceseeder,fromthewalkingcharacteristicsoftheseederinpaddyfield,theworkingconditionsofthewalkingwheelsinpaddyfieldwereanalyzed.Tomeettheanti-fallrequire2ments,thebasisparametersofthetyreweredesigned,theanti-fallpropertiesofthenarrowtyrewereanalyzed,andtheworkingtestsofthedirectriceseederweredoneinpaddyfield.Theexperimentalresultsindicatethattheconvexsurfaceofthetyrescangraspthehardsoilfloortopreventthetyresfromsinkinginpaddyfield,therefore,theworkingefficiencyofthemachineisheightened.Theresearchhaveestablishedthebasesofthedirectseedingmechanization.Keywords:directriceseeder;tyresforpaddyfield;anti-falldesign

1

2

1

1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HuaiHaiInstituteofTechnology,Lianyungang222005,China;2.Lianyungang

・96・