低速引射式風力渦輪氣動設計及優(yōu)化.pdf

1、21世紀將是一個人類文明飛速發(fā)展的世紀，人類對能源的追求將逐漸從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)向清潔的安全可靠的綠色能源，以改善和保護人類賴以生存的環(huán)境。低速風能具有總儲量大、清潔環(huán)保、分布廣泛的優(yōu)點，如果能開發(fā)一種新型高效環(huán)保的風力渦輪利用上述低速風能發(fā)電，必將改善人類的能源結(jié)構(gòu)。但低速風能也有能量品位低、能量密度低、湍動度高和利用難度高的缺點，新型渦輪必然要很好的解決上述問題。為此，本文借鑒航空渦扇發(fā)動機噴管引射技術(shù)，提出采用引射效應、端部擴張效應

2、和渦輪級理論設計一種低速引射式風力渦輪，開展如下幾個方面的研究工作：
　　從最大可用能的角度，建立風力渦輪級模型、具有端部擴張效應的渦輪級模型和引射式風力渦輪模型，建立引射式風力渦輪的各位置處的氣動參數(shù)計算方法?；诖朔椒?，給出風力渦輪級和引射器相互匹配的設計點參數(shù)。依托傳統(tǒng)渦輪級的一維設計方法和傳統(tǒng)風力渦輪的葉素-動量理論，建立針對具有徑向焓降變化大、極小徑高比特征的風力渦輪級的壓力可控渦-葉素組準三維設計方法，結(jié)合遺傳算法和三

3、維 CFD數(shù)值仿真技術(shù)，實現(xiàn)風力渦輪級葉型準三維優(yōu)化設計、三維葉型的構(gòu)建和修正。針對風力渦輪引射器的工作特點，建立具有端部擴張效應的等內(nèi)涵道擴張比的新型低速風力波瓣引射器的計算方法，給出了基于UGNX軟件的三維造型方案。
　　為了選取適用于本文低速引射式風力渦輪流場預測的數(shù)值方法，采用與本文研究對象相近雷諾數(shù)工作點的低速渦輪環(huán)形葉柵靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)和波瓣引射器PIV試驗數(shù)據(jù)做對照，經(jīng)過多種數(shù)值計算方法研究驗證，采用ANSYS CFX商

4、業(yè)軟件及基于RANS方程與sst湍流模型的數(shù)值方法，可以準確預測渦輪葉柵內(nèi)的流動和引射器內(nèi)外流場的氣動和引射性能。
　　采用上述數(shù)值方法研究引射式風力渦輪的多工況的功率輸出性能，分析設計點的葉柵內(nèi)部流動、引射器混合管內(nèi)的混合流動和風力渦輪外流場的氣動性能，研究波瓣后側(cè)的流向渦和正交渦的形成、發(fā)展及耗散規(guī)律，闡述內(nèi)外涵道流體在混合管內(nèi)的引射機理，指出在流向渦和正交渦及三個大尺度渦系結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生的引射作用下，外涵道流體泵抽內(nèi)涵道低能流

5、體，在渦輪轉(zhuǎn)子后側(cè)沿整個葉高方向產(chǎn)生了真空度，提高渦輪內(nèi)涵道的通流能力和單位質(zhì)量氣體焓降，是此結(jié)構(gòu)風力渦輪高效利用低速風能的根本原因，證明采用渦輪級+風力引射器方案設計低速風力渦輪的合理性。
　　為優(yōu)化引射器的氣動和引射性能，分析同風速不同轉(zhuǎn)速時引射式風力渦輪的出口氣流角對風力引射器性能的影響，以及深入探索在引射式渦輪總體設計方案中是否存在渦輪出口氣流角與引射器性能的最佳匹配問題，研究引射器內(nèi)涵道上游預旋角度從0°至30°變化對引

6、射性能和流場氣動性能的影響。研究顯示，波瓣后的流向和正交渦量的總體水平下降，引射器內(nèi)涵道總壓損失升高；當夾角大于10°，外流場中渦系結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)，風力引射器的氣動和引射性能明顯下降。上述研究解釋引射式風力渦輪的性能優(yōu)于傳統(tǒng)三葉引射式風力渦輪的原因。同時也證明在渦輪級一維和準三維設計中，應盡可能確保渦輪級實際出口氣流沿軸向出氣。
　　確定幾何參數(shù)為引射性能的主要影響因素后，提出一種基于波瓣仰角、俯角、軸向長度和寬度四個參數(shù)快速設計風

7、力引射器的參數(shù)化方法，基于一次回歸正交設計、最速上升法、多元非線性回歸分析方法和CFD技術(shù)，開展風力引射器波瓣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使渦輪級的輸出功率在原基礎上提升6.14-7.45％，內(nèi)涵道流量和引射能力提升約2%，實現(xiàn)2-6m/s低風速來流的風力利用系數(shù)在0.711-0.776范圍。采用多個低風速風場數(shù)據(jù)計算優(yōu)化后引射式風力渦輪的年發(fā)電量，指出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的年發(fā)電量約為相同轉(zhuǎn)子面積的傳統(tǒng)風力渦輪的3-4倍，對高湍動度流場具有良好的適應性，更加高