涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统技术方案

本发明专利技术公开涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统，涡轮机叶片，叶片为NACA2408翼型，攻角值为6‑8°，最大曲面2.0％在40.6％的翼弦，直径D为0.12m；最大厚度8.01％在30.1％的翼弦。涡轮机叶片设计方法，包括如下步骤：(A)确定太阳能烟囱进口处的额定风速；(B)涡轮机叶片翼型选型；(C)涡轮机叶片翼型数值模拟优化；(D)确定涡轮机叶片设计基本参数；(E)在Profili软件中得到翼型数据，合成坐标点后得到翼型图。太阳能烟囱发电系统，包括具有上述太阳能烟囱发电系统叶片的涡轮机、连接支架、涡轮发电机和烟囱入口底座。通过翼型设计和CST翼型优化方法，设计优化适用于太阳能烟囱发电系统的涡轮机叶片，为涡轮机叶片设计提供新思路。

【技术实现步骤摘要】
涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统
本专利技术涉及太阳能发电
具体地说是一种涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统。
技术介绍
太阳能烟囱发电系统中涡轮机是系统的重要组成部分之一，涡轮机叶片是涡轮机的重要组成部分，涡轮机叶片的空气动力学特性表现不同，涡轮机的效率和经济性不同。涡轮机叶片在集热棚出口处受到具有一定速度的热空气作用，上下表面所受作用力不同产生升力，推动叶轮发生转动。涡轮机叶轮的转动，将集热棚内热空气的动能通过发电机传动装置，转换为电能，完成发电过程。虽然现有技术中对涡轮机叶片进行了一些研究，但是这些涡轮机叶片并不能适用于所有地区，系统性能有待进一步提高。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种能够大幅提高涡轮机输出功率、适用于呼和浩特地区的涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：涡轮机叶片，太阳能烟囱进口处的额定风速为3.0-4.0m/s，集热棚出口处的雷诺数范围为2.7×104；叶片为NACA2408翼型，攻角值为6-8°，最大曲面2.0％在40.6％的翼弦，直径D为0.12m；最大厚度8.01％在30.1％的翼弦。涡轮机叶片设计方法，包括如下步骤：(A)确定太阳能烟囱进口处的额定风速；(B)涡轮机叶片翼型选型；(C)涡轮机叶片翼型数值模拟优化；(D)确定涡轮机叶片设计基本参数；(E)在Profili软件中得到翼型数据，合成坐标点后得到翼型图；按照各个截面弦长的比例缩放，在CAD中得到翼型截面图，修正后导入到SolidWorks软件中，得到叶片三维图并3D打印出叶片实物。太阳能烟囱发电系统，包括具有上述太阳能烟囱发电系统叶片的涡轮机、连接支架、涡轮发电机和烟囱入口底座。本专利技术的技术方案取得了如下有益的技术效果：本专利技术通过确定太阳能烟囱发电装置涡轮机叶片基本参数，使用Profili软件对涡轮机叶片翼型选型分析计算，选择匹配太阳能烟囱发电系统的最佳翼型。并通过CST翼型优化法对选择翼型进行进一步进行优化设计和气动特性计算。提高涡轮机叶片的最佳风能利用率，经过性能实验测试，达到设计要求。通过翼型设计和CST翼型优化方法，设计优化适用于太阳能烟囱发电系统的涡轮机叶片，为提高涡轮机叶片风能利用率进行优化设计计算，也为涡轮机叶片设计提供新思路。附图说明图1本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的NACA2408翼型截面图；图2本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同雷诺数下升力系数和阻力系数变化曲线；图3本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同雷诺数下的升阻比变化曲线；图4本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角的升力系数与阻力系数变化曲线；图5本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角的升力系数与阻力系数变化曲线；图6本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的翼型剖面图；图7本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的NACA2408翼型剖面图；图8本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的NACA2408翼型12阶拟合效果图；图9a-图9b本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的Xfoil优化处理前后翼型对比分析；图10本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的翼型NACA2408Airfoil极线；图11a本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的在Re＝2.7×104时的C1曲线；图11b本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的在Re＝2.7×104时的Cd曲线；图12a本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角下的升阻比；图12b本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角下的俯仰力矩系数；图13本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的修正前后弦长对比；图14本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的涡轮机叶片图；图15烟囱入口底座；图16烟囱入口底座与涡轮机连接支架；图17本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机电机连接架装配图；图18本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机电机连接架组装图；图19本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮发电机烟囱底座装配图；图20本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机发电系统测试原理图；图21本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流流电机下涡轮机最大输出功率曲线；图22本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在交流电机下涡轮机最大输出功率曲线；图23a本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机最大输出功率曲线；图23b本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在全风速范围内涡轮机输出功率曲线图，其中风速低于2.5m/s使用交流电机，高于2.5米使用直流电机；图24本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机下涡轮机最大功率系数特性图；图25本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在交流电机下涡轮机最大功率系数特性图；图26a本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机的功率系数曲线关系；图26b本专利技术太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下全风速范围在0.8m/s～8m/s，涡轮机的功率系数变化；图27太阳能烟囱进口处温度、速度变化曲线；图28涡轮机前热气流速度和输出功率曲线；图29输出功率实测值与模型计算值曲线；图30输出功率实验对比曲线；图31集热棚集热效率；图32太阳能烟囱效率；图33涡轮发电机发电效率；图34太阳能烟囱发电系统效率。具体实施方式1.涡轮机叶片设计通过叶素的空气动力学理论，利用专业设计软件Profili进行叶片的翼型设计选型和分析，获得翼型表面上的相关参数：压力分布、升阻比等，以获得涡轮机最大利用效率。利用CST翼型优化法对所选取的翼型进行优化，提高涡轮机效率。对所选取的翼型进行设计确定涡轮机叶片的工作风速和电功率，计算涡轮机风轮直径，确定叶片的尖速比，选择涡轮机叶片数目，确定叶片翼型，以及确定各个叶素弦长及安装角等。1.1涡轮机额定风速的确定：不稳定的空气动力学是导致涡轮机叶片失效不稳定载荷的主要因素，涡轮机的控制可以有效的较小不利的载荷，涡轮机风速的确定是知道不稳定风如何到达风轮、如何影响涡轮机进行发电。如果太阳能烟囱进口处的风不能够很好的预测，涡轮机叶片设计过程中无法准确的设计出气动性能良好的叶片。因此确定太阳能烟囱进口处的风速对于涡轮机叶片的设计优化是非常重要的，这也是涡轮机叶片设计的关键条件。由于涡轮机处在三维随时间改变的流场环境中，风速在整个涡轮机的叶轮的旋转平面上分布不同，同时受到湍流、固定支架、烟囱内壁粗糙等因素的影响，需要建立有效的太阳能烟囱进口处风速预估模型，其中风速预估模型由气动转矩的估计和预估风速值的计算两部分组成。1.1.1、气动转矩的估计：卡尔曼滤波算法可以有效的估算状态，能够得出系统的真实环境的最优状态估计，马尔可夫过程可以得到空间状态模型为:Tt是气动转矩的时间常数，Ta是气动转矩，ε是方差为R1的正态分布噪声。涡轮机发电机组的传动系统方程为：式中：其中Ta为气动转矩，Jt为涡轮发电机组合的转动惯量，角加速度，Tg发电机转矩，Tf是轴和密封件转矩，N·m；，Jg是发电机的转动惯量，kg·m2，Jr是转子的转动惯量，kg·m2，ng发电机转速rad/min，Te电动转矩，N·m。涡轮发电机组采用两个输入信号矢量：风速和指令转矩，产生两个输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.涡轮机叶片，其特征在于，太阳能烟囱进口处的额定风速为3.0‑4.0m/s，集热棚出口处的雷诺数范围为2.7×104；叶片为NACA2408翼型，攻角值为6‑8°，最大曲面2.0％在40.6％的翼弦，直径D为0.12m；最大厚度8.01％在30.1％的翼弦；叶片翼型各剖面参数如下表所示：

【技术特征摘要】
1.涡轮机叶片，其特征在于，太阳能烟囱进口处的额定风速为3.0-4.0m/s，集热棚出口处的雷诺数范围为2.7×104；叶片为NACA2408翼型，攻角值为6-8°，最大曲面2.0％在40.6％的翼弦，直径D为0.12m；最大厚度8.01％在30.1％的翼弦；叶片翼型各剖面参数如下表所示：r/R各剖面λ来流角Φ弦长各截面处的扭角20％0.6545.6620.013531.400330％0.9834.3040.017627.119640％1.3027.0990.025122.838850％1.6322.2620.031318.558160％1.9518.8360.037714.277370％2.2816.2990.03049.996680％2.6114.3510.02105.715990％2.9312.8120.01501.4351r为剖面处翼弦长度，R为翼弦总长度。2.涡轮机叶片设计方法，其特征在于，权利要求1所述太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的设计包括如下步骤：(A)确定太阳能烟囱进口处的额定风速；(B)涡轮机叶片翼型选型；(C)涡轮机叶片翼型数值模拟优化；(D)确定涡轮机叶片设计基本参数；(E)在Profili软件中得到翼型数据，合成坐标点后得到翼型图；按照各个截面弦长的比例缩放，在CAD中得到翼型截面图，修正后导入到SolidWorks软件中，得到叶片三维图并3D打印出叶片实物。3.根据权利要求2所述的涡轮机叶片设计方法，其特征在于，在步骤(A)中，包括气动转矩的估计和预估风速值的计算；气动转矩的估计如下：Tt是气动转矩的时间常数，Ta是气动转矩，ε是方差为R1的正态分布噪声；涡轮机发电机组的传动系统方程为：式中：其中：Ta为气动转矩，Jt为涡轮发电机组合的转动惯量，角加速度，Tg发电机转矩，Tf是轴和密封件转矩，N·m；，Jg是发电机的转动惯量，kg·m2，Jr是转子的转动惯量，kg·m2，ng发电机转速rad/min，Te电动转矩，N·m；涡轮发电机组的动力学用状态空间模型表示，得到传动链状态及输出方程：式中：H＝[10]，式中：是传动链状态，X是系统状态，A是系统矩阵，U代表发电机的转矩指令信号，B是矩阵[-1/Jt0]-1，y是输出量，H是矩阵[10]，矩阵B影响状态动态，kt是常数,Wr是风轮旋转角速度,Ta是气动转矩，Jt为涡轮发电机组合的转动惯量；烟囱进口处考虑太阳能烟囱发电系统的噪声和测量噪声，选采样周期为Ts，对动力学状态模型进行离散化，得到涡轮机组传动链的卡尔曼离散模型，即：X(k+1)为K+1时刻的系统状态,A(k+1,k)＝I+ATs，I为四阶单位矩阵,A是系统矩阵，A(k+1，k)为K时刻到K+1时刻的状态转移矩阵；X(k)为状态向量；B(k+1,k)＝BTs,U(k)为非随机控制序列，B是矩阵[-1/Jt0]-1；W(k)为系统噪声，Z(k+1)为观测向量，H(k+1)为观测矩阵，V(k)为测量噪声，k为时间；Ts为选采样周期；假设W和V为系统噪声和测量噪声，在系统中W和V为零均值高斯白噪声，概率密度函数为：P(W)～N(0，Q)，P(V)～N(0，R)其中：Q为系统噪声的协方差矩阵，R为测量噪声的协方差矩阵，W和V二者为单位阵Q和R为常数阵，与系统状态X及采样周期Ts不相关，P矩阵为估计状态的协方差的误差矩阵，O为数值零,N为正态分布；预估风速值的计算如下：采用牛顿-拉夫逊算法来预估有效风速的大小，气动转矩表达式：式中：Cp(λ)＝Cp(λ,βopt)，ρ是密度，R是叶片翼弦直径，V是风速；βopt是最佳叶尖速比；λ是叶尖速比；Cp是风能利用系数；估计风速表达式：式中：f(n)＝Ta(7)；其中ν最优解下估计风速值，J(t,n)是转动惯量，是转矩估计值，f(n)是目标函数，Ta是气动转矩，I(t,n)是气动转矩差值，是气动转矩估计值,n是无穷数；估计风速递推表达式为：式中：式中：n是序数,是平均值，Hn是变量系数，gn是变量函数，是角速度估计值。4.根据权利要求2所述的涡轮机叶片设计方法，其特征在于，在步骤(B)中：从集热棚出口处雷诺数及集热棚出口处空气速度考虑，结合专业翼型设计分析软件Profili进行翼型选取；在选取翼型数据时，考虑选取雷诺数与实验测试时雷诺数相接近确定雷诺数；同时按照升阻比最大原则进行翼型选择；综合分析考虑选取NACA2408翼型，根据该翼型在不同雷诺数Re数，不同攻角所对应的升力系数、阻力系数确定最大升阻比，最终确定最佳攻角值；通过Profili软件中的翼型管理系统选择NACA2408翼型，确定该翼型形状：最大相对弯度为2％，位置在弦长的41.2％翼弦处，最大相对厚度为8.01％，在29.8％翼弦处。5.根据权利要求2所述的涡轮机叶片设计方法，其特征在于，在步骤(C)中：选用基于CST型函数/类函数变换的参数化方法来表示翼型并使用CST型函数作为设计变量，通过最小二乘法对涡轮机叶片进行翼型设计和气动特性计算；具体步骤如下：翼型的几何表示式表示为：式中：ψ＝x/c，ξ＝z/c，ξT＝ΔξTE/c；为前缘；1-ψ为尾翼；ψ·ξT为尾翼厚度；为前缘和尾翼的几何形状通用函数，c为弦长；z为翼型的z轴坐标，N为翼型类函数的控制参数，x是为翼型的x轴坐标，i为0,1,2…n；Ai是伯恩斯坦多项式，ζT是相对值，ζTE是翼型后缘厚度；翼型的型函数：翼型的类函数为：式中：N1，N2为翼型类函数的控制参数；选取NACA2408翼型后缘厚度为零，即ξT＝0，上下表面曲线通用表示为：式中类函数为：式中：型函数S(ψ)表示翼型前缘到后缘之间的曲线形状，表示式为：式中：n表示伯恩斯坦多项式的阶数，为伯恩斯坦多项式权重系数集；对于CST翼型参数化过程：a、确定类函数的参数N1，N2；不同翼型对应不同的N1，N2值；对于圆形前缘族翼型N1＝0.5，N2＝1.0；b、确定型函数S(ψ)的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂晶，高虹，张维蔚，田瑞，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15