风力发电叶片桨矩角的确定方法技术

本发明专利技术公开了属于风力发电技术领域的一种风力发电叶片桨矩角的确定方法。该方法基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式，确定翼型沿叶片展向的布置；再以每一叶素处取得最大风能利用系数为目标，推导出相应的计算公式，通过优化计算，获取每一叶素处翼型的桨矩角。本发明专利技术不仅提高了叶片桨矩角的精确性，还有效提高了风能利用率。一般估算，在相同风况条件下，此方法确定的叶片桨矩角，风能利用率可提高近3％。

Determination of torque angle of wind turbine blades

The invention discloses a method for determining the propeller moment angle of wind turbine blades belonging to the technical field of wind power generation. Based on the geometric relationship of velocity analysis and decomposition of a blade element on a wind turbine, and according to the different requirements of different regions of the blade on the airfoil, a suitable airfoil is selected. According to the goal of maximizing wind energy utilization, the formula of the blade moment angle along the blade radius is established directly, and the airfoil along the blade is determined. In order to obtain the maximum wind energy utilization coefficient at each element, the corresponding calculation formula is deduced, and the propeller moment angle at each element is obtained by optimizing calculation. The invention not only improves the accuracy of the blade blade moment angle, but also effectively improves the utilization rate of wind energy. Generally, it is estimated that under the same wind condition, the blade blade moment angle determined by this method can increase the wind energy utilization rate by nearly 3%.

【技术实现步骤摘要】
风力发电叶片桨矩角的确定方法
本专利技术属风力发电
，特别涉及一种风力发电叶片桨矩角的确定方法。
技术介绍
目前，风力发电叶片桨矩角的确定一般是通过将叶片分段，并将每个截面作为一个叶素，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，即确定了翼型沿叶片展向的布置；再以每一叶素处取得最大风能利用系数为目标，通过优化计算，获取每一叶素处翼型的桨矩角；最后通过修形使各翼型光滑联接。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种风力发电叶片桨矩角的确定方法，其特征在于，基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式如下：式中：Vrr为距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气相对于风轮叶片的流动速度，其中，说明；第一个角标r表示“相对”运动，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心的距离＝风轮半径r；Ver为将距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气看做风轮部分所具有的速度，即此处空气的牵连运动速度，Va为空气的绝对运动速度，即风速；式中：为矢量间的夹角；式中：ω为风轮转速；亦即因为将式(4)代入式(5)，得亦即在上述各式中，Vrr为入流风速；Va为空气绝对运动速度；Vrc为出流风速；Vrz为出入流风速变化量在风轮旋转轴线z轴上的投影；Vra为出入流风速变化量；Vrx为出入流风速变化量在该点牵连运动速度方向x轴上的投影；ω为风轮旋转角速度；为矢量间的夹角；根据流量连续方程Qcr＝Qjr，其中，Qcr为r处的出流流量，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Qjr为r处的入流流量，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处)或ScrVcr＝SjrVrr；其中，Scr为r处的出流流量通流截面面积，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Sjr为r处的入流流量通流截面面积，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处,考虑空气在远低于音速条件下不可压缩的特点，应有Scr＝Sjr，所以Vcr＝Vrr(8)根据风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，得式中：为两矢量的矢量差，箭线代表矢量，其中，第一个角标a表示“差”，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处。其它符号意义同前。亦即式中：为距离风轮旋转中心r处的风电叶片桨矩角，角标r代表距离风轮旋转中心r处。其它符号意义同前。式中：ΔVxr为矢量在x轴上的投影，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处。其它符号意义同前。根据冲量原理，此微段空气流速的变化，对叶片产生的周向力ΔFxr为ΔFxr＝ρdqΔVxr(12)式中：ΔFxr为风速在x方向的变化引起的作用力在x方向上的变化量，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Ρ为空气密度；dq为空气流量；而式中：ds为叶片上垂直于弦长的空气微单元厚度；dl为叶片上沿弦长的空气微单元长度。其它符号意义同前。将式(10)代入式(11)后，再代入式(12)并将式(13)也代入式(12)，得此力对风轮产生的转矩ΔMxr为式中：ΔMxr为力ΔFxr对风轮产生的转矩，其中，第一个角标x代表坐标轴，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；其它符号意义同前。在全叶片上产生的转矩Mx为式中：Mx为全叶片上的作用力对风轮产生的转矩；其它符号意义同前；定义函数F，因为所以式(17)亦可写为根据欧拉—拉格朗日方程(Euler—LagrangeEquation)，式(16)取极大值的必要条件是式(19)可简化为则本专利技术的有益效果：本专利技术根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式，不仅提高了叶片桨矩角的精确性，还有效提高了风能利用率。一般估算，在相同风况条件下，此方法确定的叶片桨矩角，风能利用率可提高近3％。附图说明图1为风轮示意图，图中：r为考察叶素所在风轮半径；dr为叶素径向长度。图2为风轮上考察叶素某微段速度分析分解示意图；图中：Vrr为入流风速；Va为空气绝对运动速度(额定风速)；Vrc为出流风速；Vrz为出入流风速变化量在风轮旋转轴线(z轴)上的投影；Vra为出入流风速变化量；Vrx为出入流风速变化量在该点牵连运动速度方向(x轴)上的投影；ω为风轮旋转角速度；为矢量间的夹角；各量上方的箭线表示该量的矢量。具体实施方式本专利技术提出一种风力发电叶片桨矩角的确定方法，下面结合附图予以说明。实施例：已知某待建风电场额定风速Va为12m/s，风电机组风轮额定转速ne为15rpm(ω＝2πne＝1.5608rad/s)，风轮半径31m。则1)风电机组所在场地额定风速Va＝12m/s；2)风轮额定转速ω＝1.5608rad/s；3)根据式(21)可得额定工况时不同风轮半径处的翼型桨矩角将不同的r(0.5m≤r≤31m)代入式(22)可的沿风轮半径而变化的翼型桨矩角，具体数值见附表所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电叶片桨矩角的确定方法，其特征在于，基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种风力发电叶片桨矩角的确定方法，其特征在于，基于风轮上考察叶素某微段速度分析分解的几何关系，根据风力机叶片不同区域对翼型的要求不同，选择合适的翼型，根据风能利用最大化为目标，直接建立了风电叶片桨矩角沿叶片半径变化的公式如下：式中：Vrr为距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气相对于风轮叶片的流动速度，其中，说明；第一个角标r表示“相对”运动，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心的距离＝风轮半径r；Ver为将距离风轮旋转中心为风轮半径r处的空气看做风轮部分所具有的速度，即此处空气的牵连运动速度，Va为空气的绝对运动速度，即风速；式中：为矢量间的夹角；式中：ω为风轮转速；亦即因为将式(4)代入式(5)，得亦即在上述各式中，Vrr为入流风速；Va为空气绝对运动速度；Vrc为出流风速；Vrz为出入流风速变化量在风轮旋转轴线z轴上的投影；Vra为出入流风速变化量；Vrx为出入流风速变化量在该点牵连运动速度方向x轴上的投影；ω为风轮旋转角速度；为矢量间的夹角；根据流量连续方程Qcr＝Qjr，其中，Qcr为r处的出流流量，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Qjr为r处的入流流量，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处)或ScrVcr＝SjrVrr；其中，Scr为r处的出流流量通流截面面积，第一个角标c表示“出”流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处；Sjr为r处的入流流量通流截面面积，第一个角标j表示“进”或入流，第二个角标r表示“位置”为距离风轮旋转中心r处,考...

【专利技术属性】
技术研发人员：张照煌，李魏魏，王磊，宋玉旺，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11