一种尾流风况下的风力机时变气动特性计算方法技术

本发明专利技术公开了一种尾流风况下的风力机时变气动特性计算方法，解决了在不均匀尾流场下便捷快速计算风力机时变气动特性的问题。该方法的步骤为：首先使用三维Jensen

【技术实现步骤摘要】
一种尾流风况下的风力机时变气动特性计算方法


[0001]本专利技术涉及风力发电
，具体而言，涉及一种尾流风况下风力机时变气动特性计算方法。

技术介绍

[0002]目前风力机的尺寸不断增大，导致风力机所处流场更为复杂，复杂激励下机组气动特性受到影响。尤其是尾流效应，上游风力机的尾流对于下游风力机的影响是十分显著的，尾流给风电场带来10％～20％的总输出功率损失，严重影响到风电场的发电效率，同时由于叶片的旋转作用导致的尾流湍流度也会对下游风力机造成明显的结构疲劳，从而缩短风力机的寿命。因此探究风力机尾流对下游风力机气动特性的影响对于风电场的优化运行有着极为重要的意义。风力机的气动性能计算常用方法有叶素动量法(BEM)，计算流体动力学(CFD)方法以及涡尾迹方法。但传统CFD方法所需计算量大，计算成本高，本方法所述3DJG尾流模型耦合改进的BEM方法具有计算量小，准确度高，使用灵活方便的优点。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种尾流风况下风力机气动特性计算方法，其用于解决上述技术问题。
[0004]本专利技术的实施例通过以下技术方案实现：
[0005]一种尾流风况下的风力机时变气动特性计算方法，其特征在于，包括以下内容：
[0006]使用3DJG尾流模型获取的尾流风速，考虑了尾流亏损与风切变的影响；
[0007]使用prandtl叶尖与轮毂损失以及针对轴向诱导因子a的Buhl经验公式修正改进的BEM方法；
[0008]将3DJG尾流模型得到的三维尾流风速场与改进的BEM方法进行耦合，分别对风力机的叶素，单叶片以及风轮三个方面进行时变气动特性的整合计算和分析。
[0009]进一步的，所述3DJG尾流模型的计算公式如下式：
[0010][0011]式中
△
U为来流风速U(Z)与轮毂处风速U(Zhub)之间存在的差值，r
Z
为垂直方向尾流半径，a为风力机轴向诱导因子，σ
y
为水平方向的标准偏差，当风速点位于水平面中央的速度亏损最大值点y＝0时，式中C由联立上述两公式，由U(X,Z)＝U(X,0,Z)求解得到。
[0012]进一步的，对于所述改进的BEM方法的prandtl叶尖与轮毂损失修正公式如下：
[0013]Prandl损失系数F分为两部分，第一部分为叶尖损失Ft，第二部分为轮毂损失Fh，损失系数F的表达式如下：
[0014]F＝F
t
·
F
h
[0015]其中：
[0016][0017]B为风力机叶片数，R为风轮半径，r为叶素所在半径，Rhub为轮毂半径，Φ为气流倾角。
[0018]改进后的BEM的迭代公式为：
[0019][0020]a为轴向诱导因子，a
’
为切向诱导因子，σ
r
为定义的弦长实度，C
n
为轴向力系数，C
t
为切向力系数。
[0021]进一步的，所述的对于改进的BEM方法的Buhl方法对于轴向诱导因子的修正如下：
[0022][0023]式中
[0024][0025]本专利技术实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
[0026]本专利技术设计合理，结构简单，使用了精度较高的3D Jensen
‑
Gaussian尾流模型并将其与下游风力机耦合，将尾流的不均匀性对下游风力机气动特性的影响有效的展现。对叶片转动中的周期性气动特性变化做出了分析，与传统的载荷研究相比更直观的展现了风力机运行过程中的载荷变化。
[0027]针对风力机转动时的任一方位角，都能够即时的，敏锐的捕捉到流场在整个风轮面的不均匀性，考虑到来流风切变和prandtl作出的叶尖与轮毂损失以及针对轴向诱导因子a的Buhl经验公式修正，从而建立起精度较高、计算量小且能灵活与不同边界条件耦合的风力机载荷计算方法。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看
作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0029]图1为本专利技术提供的一种尾流风况下风力机气动特性计算方法的流程示意图；
[0030]图2为本专利技术提供的一种尾流风况下的风力机气动特性计算方法的实施例的详细操作流程图；
[0031]图3为本专利技术提供的实施例中的纵向位置的风轮面尾流风速分布；
[0032]图4为本专利技术所提供的实施例中的尾流区位置示意图；
[0033]图5为本专利技术所提供的实施例中采用该方法求得的尾流中心纵向位置的叶片展向剪力；
[0034]图6为本专利技术所提供的实施例中采用该方法求得的不同横向位置单叶片的转矩变化；
[0035]图7为本专利技术所提供的实施例中采用该方法求得的不同纵向位置风力机整机功率；
具体实施方式
[0036]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。
[0037]本专利技术提供一种实施例，共分三步：建立3DJG尾流模型；将尾流风速输入下游风力机进行改进的BEM计算；改变运行工况进行结果的输出与总结。具体流程如图2所示。
[0038]第一步，建立3DJG尾流模型，其建立过程如下所示：
[0039]设置初始来流风、风力机参数(本实施例采用NREL_5MW海上风力机相关参数)与下游风力机位置，以此为基础根据公式1和公式2计算修正尾流膨胀系数K与下游尾流半径r
Z
。
[0040]rz为风力机的尾流半径，将其近似为2.58σz，如下式1：
[0041]r
z
＝2.58σ
z
＝k
z
X+r0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]其中kZ为尾流膨胀系数。做出假设令kY＝kZ。修正尾流膨胀系数k的计算式如下所示：
[0043][0044]式中I0为来流湍流强度，k
n
为经验参数，取0.4，k
Jensen
为Jensen尾流模型中的尾流膨胀系数，对于陆上风电场取0.075，对海上风电场取0.05。X为尾流顺风方向距离，D为风轮直径。由以上各式可得到二维高斯模型的尾流速度分布U0(X,Z)。
[0045]根据下列公式3得到二维尾流风速。
[0046][0047]式中U(X,Z)为考虑风切变的二维尾流风速，
△
U为来流风速U(Z)与轮毂处风速U(Zhub)之间存在的差值，rZ为垂直方向尾流半径，a为风力机轴向诱导因子。
[0048]然后将二维尾流风速根据公式4进行三维方向的拓展
[0049][0050]其中，Uref为在参考高度Zref测得的风速，Z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种尾流风况下的风力机时变气动特性计算方法，其特征在于，包括以下内容：使用三维Jensen
‑
Gaussian(3DJG)尾流模型获取的尾流风速，考虑了尾流亏损与风切变的影响；使用prandtl叶尖与轮毂损失以及针对轴向诱导因子a的Buhl经验公式修正改进的叶素动量理论(BEM)方法；将3DJG尾流模型得到的三维尾流风速场与改进的BEM方法进行耦合，分别对风力机的叶素，单叶片以及风轮三个方面进行时变气动特性的整合计算和分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3DJG尾流模型的计算公式如下式：式中
△
U为来流风速U(Z)与轮毂处风速U(Zhub)之间存在的差值，r
Z
为垂直方向尾流半径，a为风力机轴向诱导因子，σ
y
为水平方向的标准偏差，当风速点位于水平面中央的速度亏损最大值点y＝0时，式中C由联立上述两公式，由U(X,Z)＝U(X,0,Z)求解得到。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于改进的BEM方法的prandtl叶尖与轮毂损失修正公式如...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓霞，周鲲程，朱霄珣，赵乾升，龚晓宇，王瑜，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：