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葉片前緣受損修復(fù)后風(fēng)機發(fā)電效率提升的理論分析

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-02-22  瀏覽次數(shù):70
核心提示:  由于葉片前緣損壞對流經(jīng)葉片表面的氣流影響很大,現(xiàn)通過氣流流動狀態(tài)表述、葉片前緣損壞后的葉片性能數(shù)值模擬計算以及發(fā)生性

  由于葉片前緣損壞對流經(jīng)葉片表面的氣流影響很大,現(xiàn)通過氣流流動狀態(tài)表述、葉片前緣損壞后的葉片性能數(shù)值模擬計算以及發(fā)生性能變化的原因解析三個方面來解析此問題。
  1.葉片表面氣流流動
風(fēng)機葉片是風(fēng)力發(fā)電機最重要的部件之一,風(fēng)機葉片的性能直接決定了風(fēng)機性能。葉片是由一個個不同的翼型單元組合而成:衡量翼型性能的參數(shù)主要有三個:升力系數(shù)(Cl)、阻力系數(shù)(Cd)以及力矩系數(shù)(Cm),三者分別隨著攻角以及雷諾數(shù)的變化而變化。在此,需要明確幾個定義:
  a)翼型:葉片沿弦長方向的橫截面外形。
  b)攻角:流來流方向與葉片翼型弦長方向的夾角。
  c)雷諾數(shù):表征流體流動狀態(tài)的參數(shù),為慣性力與粘性力之比,即Re=ρvd/η。其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù),d為一特征長度,對葉片來講,即為葉片各個截面的弦向長度。
  d)附面層:低粘性流體(水、空氣等)沿固體表面流動時,在高雷諾數(shù)時,附著于固體表面的一層流體稱為附面層。
  在正常攻角范圍內(nèi),翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)會隨著攻角的增大而增大,而力矩系數(shù)基本保持不變。超過一定的攻角(所謂臨界攻角)后,翼型吸力面氣流開始開始大面積分離,導(dǎo)致升力系數(shù)逐漸減小,阻力系數(shù)急劇增大。翼型開始下降。在設(shè)計風(fēng)機葉片時,為了追求最大的功率系數(shù)(Cp),需要用升力系數(shù)和阻力系數(shù)的比值(即升阻比Cl/Cd)來進行設(shè)計。
  氣流在流經(jīng)葉片翼型表面的過程中,依照攻角的不同,會在前緣位置形成駐點,理論上駐點處氣流的流速為0,氣流在駐點處分離成兩股氣流,一股流過葉片翼型壓力面經(jīng)后緣流入大氣,另一股氣流則流過葉片吸力面,從后緣流入大氣。隨著攻角的增大,駐點位置逐漸偏向葉片壓力面,氣流在吸力面的流通距離增加。低靜壓區(qū)的面積增大,葉片翼型的升力系數(shù)增大,阻力系數(shù)小幅增大。但同時翼型吸力面后緣部分由于氣流分離所產(chǎn)生的渦流區(qū)也在不斷擴大。當攻角增大到一定程度時,升力下降,阻力急劇上升,此時翼型及進入失速狀態(tài)。上述為翼型性能隨攻角變化的描述。
  2.數(shù)據(jù)仿真計算
  依照葉片前緣損壞后的外形,在數(shù)值模擬中對葉片前緣進行不規(guī)則的改變,來驗證葉片前緣損壞后以及修補后性能的變化。下圖二為計算時參考的葉片前緣損傷表征圖:

                              圖2 葉片前緣損傷表征圖

為了驗證葉片前緣損壞對風(fēng)機葉片性能的影響,我們以NACA64XXX翼型為基準進行數(shù)值模擬,該翼型被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機葉片靠近尖部的區(qū)域,分別計算葉片翼型在前緣損壞前后的升力系數(shù)與阻力系數(shù)的變化。同時考慮到風(fēng)機葉片翼型正常工作時攻角維持在4°~8°范圍內(nèi),因此,數(shù)值模擬分析集中在此攻角范圍內(nèi)。具體數(shù)值模擬情況如下表1:

 表1 前緣損壞前后升力系數(shù)與阻力系數(shù)變化
  由上述表格中我們可以看出在攻角4°~8°范圍內(nèi),4°攻角下,前緣損壞前后,升力系數(shù)和阻力系數(shù)幾乎不變。在攻角為5°~8°時,前緣損壞后的翼型升力系數(shù)較損壞前下降,阻力系數(shù)上升,且隨著攻角的增加,性能下降的更為明顯。在攻角為8°時,升力系數(shù)下降了3.7%,阻力系數(shù)上升了25.6%,升阻比幾乎下降了25%。

 
關(guān)鍵詞: 葉片   
 
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