本發(fā)明涉及涉及一種風機葉輪動量修正方法，特別是涉及一種基于β錐角的風力機葉素動量修正方法。

背景技術：

目前風力發(fā)電技術多采用基于零錐角的水平軸風力機發(fā)電機組。其設計方法為，根據(jù)對功率的設計要求，選取合適的風力機葉片的翼型及尺寸，為追求最大風能利用系數(shù)C_p，通過傳統(tǒng)零錐角葉素動量理論對風輪的兩個重要參數(shù)節(jié)距角θ及速度比γ進行優(yōu)化計算，得到風力機的優(yōu)化運行參數(shù)。傳統(tǒng)零錐角葉素動量理論能夠成功地優(yōu)化零錐角風力機運行參數(shù)，但無法計算出風輪錐角β變化對風力機風能利用系數(shù)大小的影響。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于β錐角的風力機葉素動量修正方法，該方法提出一種基于β錐角的針對水平軸風力發(fā)電機組的傳統(tǒng)葉素動量的修正方法。該方法引入風輪錐角β，計算出錐角對風力機風能利用系數(shù)大小的影響，通過優(yōu)化風輪錐角進一步提高風力機風能利用率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

該修正方法按如下步驟進行：

步驟1：根據(jù)圖1所示修正前后風輪氣流模型圖，對葉素動量理論推導過程中的每一表達式進行相應修正，最終得到修正后風能利用系數(shù)表達式，如下

步驟2：通過圖2所示的修正后迭代流程圖計算該表達式的的數(shù)值解。

步驟3：設定參數(shù)的取值范圍，遍歷各組參數(shù)，通過步驟2計算該組參數(shù)對應數(shù)值解。

步驟4：將具有相同參數(shù)的劃分為一組，分別找出組內最大風能利用系數(shù)記錄，組成隨參數(shù)、變化的數(shù)據(jù)組，繪制圖3所示隨、變化的曲線圖。

步驟5：通過有限元分析軟件FLUENT計算模型的發(fā)散角，并由圖3確定在該發(fā)散角的條件下能達到的最大風能利用系數(shù)及對應的風輪錐角。

本發(fā)明的優(yōu)點與效果是：

本發(fā)明通過圖3的隨、變化曲線可看出，錐角為零時，最大風能利用系數(shù)=0.481該值與傳統(tǒng)零錐角葉素動量葉輪計算結果一致，與發(fā)散角無關。當考慮錐角時，隨錐角的增加先增大后減小，發(fā)散角為通常值12°時，最大風能利用系數(shù)=0.495，與0.481相比，提高了2.9%。

附圖說明

圖1(a)為修正前風輪氣流模型；

圖1(b)為修正后風輪氣流模型；

圖2為修正后迭代流程圖；

圖3為隨、變化的曲線圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

針對步驟1，對葉素動量理論推導過程中的每一表達式進行修正的詳細過程入下：

（a）傳統(tǒng)零錐角葉素動量理論：

經(jīng)典的葉素動量理論采用零錐角模型，即風輪旋轉面為零度錐角的平面（圖1（a）），此時氣流的徑向速度分量對風輪不產(chǎn)生動力作用，因此只考慮氣流軸向速度對風輪產(chǎn)生的動力效果。由動量理論得到，氣流作用在風輪根部距離處葉素的軸向推力和轉矩分別為：

（1）

（2）

為空氣密度；為風輪上游遠端風速；為軸向誘導因子；為周向誘導因子。

同時，由葉素理論得到

（3）

（4）

為葉片數(shù)；為葉素弦長；以葉素為參照系的相對風速；為入流角，表示風輪處相對風速與風輪旋轉平面的夾角，其表達式為

（5）

為速度比，其表達式為

（6）

、為風力機翼型升力、阻力系數(shù)，對于一個確定的翼型，、主要由攻角決定

（7）

為節(jié)距角，表示葉素弦長方向與風輪旋轉平面之間的夾角。

分別將式（1）、（3）及式（2）、（4）建立等量關系，并引入普朗特葉尖損失因子，可計算出軸向誘導因子及周向誘導因子

（8）

（9）

其中為實度

（10）

進一步計算出風能利用系數(shù)

（11）

（b）修正后β錐角葉素動量理論模型：

β錐角葉素動量理論采用β錐角模型，即葉片與旋轉軸垂直平面夾角為β（如圖1（b）），風輪旋轉面為圓錐面。此時，氣流的徑向速度分量亦會對風輪產(chǎn)生轉矩作用，進而轉換為風輪機的械能。為計算出這部分機械能，對經(jīng)典零錐角葉素動量理論做如下修正。

與葉根距離為的風輪葉素，其距離旋轉軸的垂直距離為

（12）

氣流速度與風輪旋轉錐面垂直的速度分量為

（13）

γ為該處氣流流向與軸向夾角；為對軸向誘導因子的修正（本文中上角標c表示對相應量的修正值）。

將修正式（12）、（13）及β代入式（1）~（11），分別得到如下式（14）~（24）對應的修正表達式

（14）

（15）

（16）

（17）

（18）

（19）

（20）

（21）

（22）

（23）

（24）。