1MW海上大型風力機氣動設計

孫雷 雷瑋劍 張智偉 胡丹梅

摘 要

根據1MW海上大型風力系統的氣動設計要求，選取風輪葉片數目，進而確定了葉尖速比和風輪直徑，在葉片不同長度處選擇WA系列不同的翼型。計算結果表明，風力機功率滿足氣動設計要求。

關鍵詞

海上大型風力機;風機葉片;WA系列翼型;氣動設計

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的大力發展，風能的開發與利用，尤其是海上大型風電技術，已開始倍受世界各國的青睞與重視。本設計方案采用了目前應用最為廣泛的水平軸式風力機形式，針對1MW海上大型風力系統風輪的基本幾何尺寸與動力要求，對葉片數、風輪直徑、葉尖速比、翼型等參數進行了氣動設計。

1 風力機設計基本定義

葉片投影面積：葉片在風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。

風輪掃掠面積：風輪葉片旋轉一周掃過的面積。

風輪額定轉速：輸出額定功率時，風輪的轉速。

葉尖速比：葉片尖部旋轉時的切向速度與風輪前來流的風速之比，用λ表示。

2 風力機氣動設計基本參數

2.1 風力機給定參數

設計安裝地點：上海市東海大橋附近地區。

風力機額定功率：1MW，設計風速8m/s。

風場空氣密度為1.21kg/m3。

有效風速小時數約8450小時/年。

海面以上90米高的年平均風速約8.6m/s 。

2.2 年平均風能密度的確定

3 風力機幾何尺寸的確定

風力機的幾何尺寸與風力機使用目的以及使用地風況相關。東海大橋地區屬于風能豐富區域，需連接高轉速發電機。為了避免齒輪箱增速比過高，需要風輪采用較高的轉速，故選擇高葉尖速比值λ的風輪，使風力機具有較高的功率系數。一般，高速風輪的λ=5～8，根據表1，1MW海上大型風力機系統選取尖速比λ=6。

3.1 風力機葉片數確定

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

選擇風力機葉片數與風力機的用途、尖速比存在一定的匹配關系。三葉片風輪轉子動平衡性較好，轉子不易偏離正常風向或搖擺運動，風輪運轉時受干擾可能性比較低。前期設定尖速比λ=6，根據表2，本海上大型風電系統選取三葉片的風力機。

3.2 風力機的有效功率

6 結論

本文對1MW海上大型風力機進行氣動設計計算，用相關經驗公式和相關關系式計算得出風力機葉片的尺寸、風力機功率等，計算結果表明：

（1）風輪葉片掃掠面積為6690m2，直徑為92.2929m，轉速為10r/min。

（2）自轉動中心至葉尖，風力機翼型選取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，功率系數為0.49，滿足1MW海上大型風力機的設計功率要求。

參考文獻

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