风力机叶片气动性能测试实验.docx
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第30章风力机翼型叶片设计与气动性能测试
30.1实验目的和要求
风力发电机是通过风轮叶片汲取风能, 将机械能转化为电能的装置。
风轮叶片是风力发电机能量转化的关键动力部件, 其气动性能是风力机最为关键的设计参数之一。
因此,设计良好气动性能的叶片十分重要。
该实验的目的就是掌握表征风力机性能的各项参数;掌握风能利用系数各项的含义。
并利用空气动力学理论知识,学会设计气动性能优良的风力机翼型叶片并进行气动性能测试。
30.2实验原理与实验装置
30.2.1风力机分类及几何参数
风力机是将风能转变成主轴中的机械能,最后在发电机中再转变成电能.风力机种类较多,最主要的分类方法有两种:
按照风力机风轮转轴与风向的位置分为水平轴与垂直轴风力机;按照风力机叶片的工作原理分为升力型和阻力型风力机。
水平轴升力型风力机是主流机型。
影响风力机空气动力特性的几何参数如下:
1)叶片参数
叶片参数包括叶片翼型、叶片长度、叶片面积、叶片扭角。
风力机叶片翼型及叶片气动外形的设计理论是决定风力机功率特性和气动载荷特性的根本因素。
2)风轮参数
风轮参数包括叶片数、风轮直径、风轮中心高、风轮扫掠面积、风轮锥角、风轮仰角、风轮偏航角、风轮实度等。
风轮参数的设计影响到风力机输出转矩、风轮功率等。
30.2.2风力机性能评价参数
风力机的基本功能是利用风轮接收风能,并将其转换成机械能,再由风轮轴将它输送出去。
风力机的基本工作原理是利用空气流经风轮叶片产生的升力或阻力推动叶片转动,将风能转化为机械能。
评价风力机的性能参数主要有风能利用系数(功率系数)、力矩系数、推力系数和尖速比等。
1)风能利用系数
当风速为吹向风轮时,它所具有的功率为:
(30-1)
式中:
-某风速时风所具有的功率;-空气质量流量;-风速; -空气密度;-风轮扫掠面积。
这些能量不可能全被风轮所捕获而转化为机械能。
风力机实际可获得的功率与最大可获得的功率之比称为风能利用系数(功率系数),即
(30-2)
式中:
-功率系数;-风力机实际获得的功率。
2)力矩系数
使风力机旋转的转矩(旋转力),称为力矩,称为力矩系数,力矩系数是衡量在风所产生的旋转力中,风力机到底能从中获得多少可以作为力矩来利用的性能评价指标,有如下公式:
(30-3)
式中:
-风轮旋转的力矩系数;-风轮力矩;-风轮半径。
3)推力系数
风向后推风力机的力称为推力,为推力系数,推力系数是衡量在由风所产生的力中有多少是作为将风力机向后推的推力来作用的性能评价指标,有如下公式:
(30-4)
式中:
-推力系数;-风向后推风力机的力。
4)尖速比
风轮叶片的叶尖线速度与对应风速之比称为尖速比,尖速比是衡量风力机性能的一项重要指标。
有如下公式:
(30-5)
式中:
-尖速比;-风轮旋转角速度。
5)最大风能利用系数
利用流体力学的基本理论可以推导出升力型风力机能够从风中获得的理论最大功率系数=0.593,0.593就是最大风能利用系数,又称贝茨极限。
这说明风力机从风中所获得能量的最高效率不会超过60%。
30.2.3实验装置
如图30.1所示风力机是安装在低速风洞中的水平轴风力机,实验系统主要由风力机、控制器和蓄电池3部分组成,包括风轮、传动装置(增速齿轮箱)、做功装置(发电机)、控制系统(调速机构、风向标及控制器)、蓄能装置(蓄电池)、塔架,以及附属装置等,控制器与风力机及蓄电池连接如图30.2所示。
低速风洞提供一定速度的气流。
风力机型号为NE300型,额定功率:
300W,额定电压:
24V。
控制器型号为SSWC-06-1224-TA,可控制风力发电机对蓄电池进行安全高效的充电,同时提供两路均有3种输出控制方式的直流输出,以供不同的特性负载灵活使用。
控制器带LCD液晶显示,可显示蓄电池当前电压与电量,显示风机当前整流后电压与充电电流等参数,还可以显示设备异常情况及设置有关参数等。
图30.1是安装在低速风洞试验段中的水平轴风力机 图30.2风力机实验系统连接示意图
30.2.4翼型叶片设计与实验测试项目
风力机的效率主要是由叶片决定的,因此,设计气动性能良好的风力机叶片极为重要。
目前国内外用不同设计方法设计出各种厚度风力机翼型,针对形状复杂的风力机翼型及叶片展开了具有普遍意义的研究工作。
设计并加工新叶片后,可通过本实验装置测试不同翼型叶片风力机风能利用系数(即功率系数),通过风洞测力天平还可以测试不同翼型叶片气动性能参数-风轮旋转的力矩系数和推力系数等参数。
30.3实验方法与步骤
1)按图30.2所示连接各组件后仔细检查每个端子的正负极是否正确,接线端子是否都拧紧。
2)开启蓄电池开关,给控制器供电。
控制器初始化后夜晶显示器显示蓄电池当前电压及电量。
3)开启风洞,将风速设定为5m/s、8m/s、11m/s。
分别观察和记录风力机发电产生的充电电流与风力机当前电压。
数据记录到表30.1中。
4)更换叶片,重复步骤3,比较不同叶片风力发电效率(功率系数)。
5)将不同叶片安装到风洞测力天平上,测试不同翼型叶片产生的力矩与推力,得到风力机力矩系数与推力系数。
数据记录到表30.2中。
★操作要领与注意事项:
1、风力机发电实验时风洞运行前须确保各组件按照图30.2所示连接好,开关拨至开的状态。
风力机严禁空载运行,确保控制器工作正常。
2、测力实验时须锁定风轮。
30.4实验结果及要求
记录及计算数据至下表中:
表30.1风力机风能利用系数测定数据表
风速
叶片
型号
= m/s
= m/s
= m/s
(V)
(A)
(V)
(A)
(V)
(A)
1#叶片
2#叶片
表中:
-风力机当前电压;-充电电流;-功率系数。
表30.2风力机力矩系数与推力系数测定数据表(=m/s)
风速
叶片
型号
力矩系数
推力系数
(mV)
(N.m)
(mV)
(N)
1#叶片
2#叶片
表中:
-风洞天平滚转力矩单元电压输出变化量;-使风力机旋转的转矩;-风力机力矩系数;-风洞天平阻力单元电压输出变化量;-风向后推风力机的力;-风力机推力系数。
30.5实验分析与讨论
1)影响风轮功率的因素有哪些?
分析2组叶片构成的风力机功率系数有何不同,为什么?
2)风力机力矩系数与风能利用系数之间有何关联?
3)风力机翼型设计的要求是什么?
试设计1组额定功率为300W的风力机翼型叶片并测试其气动性能,要求风能利用系数高、推力系数小。
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