大型风力发电机运行特点及气动特性
1 选题背景及意义
随着中国社会经济的发展，对能源的需求量也日益增加，进入21世纪以来，全国范围内的能源短缺问题凸现，煤炭、石油等常规能源供应全面紧张，能源供应不足已成为目前制约我国经济持续发展的重要因素[1]。以火电为主的电力结构，不但浪费了宝贵的煤炭资源，而且给环境保护带来了巨大的压力。在国内倡导节能减排的大背景下，寻找一种清洁的、储量丰富的替代能源就成为缓解中国能源危机的有效途径，开放和利用可再生能源也是解决中国能源和环保问题的重要战略措施之一。
在清洁能源中，风能是一种经济的可再生能源，发展潜力巨大。开发风能，尤其是发展风力发电产业已成为国家能源建设的重大战略选择。研究大型风力发电机的特点及其气动特性，对提高风力发电的效率，更好的利用风能，缓解能源危机，促进经济社会可持续发展具有重大意义。
2 国内外研究现状
目前风力机朝机组单机容量大型化发展，同时成本却逐年减少。风力机仍以发展水平轴为主，虽然垂直轴有全风向、变速装置及发电机可以置于地面等优点，但转动轴过长、转换效率不高等不利因素制约其发展；其次通过齿轮箱多级变速驱动风电机组依然是目前风电市场上的主流产品，变速变桨距双馈恒频是大型风电机组的主要模式[2]。
2.1 研究方向
目前，国内外气动特性研究的主要问题是新翼型设计、静态失速和动态失速[3]。
（1）新翼型设计
翼型形状直接影响叶片的气动特性，因此风力机转子的气动特性、风力机捕获风能力与叶片剖面形状设计直接相关。在20世纪80年代以前，风力机叶片剖面仍直接使用航空用叶型数据，但是风力机的运行环境和飞机的飞行工况有比较大的区别。上世纪80年代以来，人们逐渐开始认识到传统的航空翼型并不适合设计高性能的风力机，逐渐开始开发新翼型。进入90年代以来，随着计算流体力学水平的提高，各种叶片几何优化的方法开始出现。采用粘性-无粘的迭代数值计算，或是叶片表面边界层的分析(主要是层流、紊流的确定)，各截面气动参数的准确确定，实现了在一定输出功率下的最佳的叶片几何形状设计[4]。对桨距可调型风力机，由于它可以调整进口攻角，以实现最大的升速比。因此翼型的优化并不重要，重要的是如何保证在所有的风速下获得最大的功率，所以对翼型性能的优化工作往往是集中在升力曲线的一小部分。但要如对叶片粗糙度等提出了更高的要求，成为必须考虑的设计因素[5]。因此，翼型气动特性对风力机的动力生成至关重要。
（2）静态失速
虽然目前人们已经了解了几乎所有风力机运行时的气动现象，但是仍缺乏对其中某些现象的机理性理解，静态失速便是这些现象中的一种。早在20世纪40年代Himmelskamp 首次在实验中发现失速延迟现象的存在。此后研究者对这一现象作了一系列研究，但是目前仍没有有效的模型对这一现象作出准确的解释。
（3）动态失速
动态失速是指在进口来流攻角快速变化的过程中，风轮叶片所表现出的与风洞实验完全不同的气动特性。动态失速可以在许多情况下出现，如大气紊流、塔座影响、偏航工况等等。此时的升力系数特性与风洞实验数据出现了明显的差别，极大地增加了风力机的动态载荷，从而对风力机的结构载荷设计产生了严重的影响。当风力机处于失速状态运行时，最大输出功率和最大叶片载荷将会同时出现，而目前不计失速影响的理论计算载荷只有实测值的50%-70%[6]。失速风力机在高风速下所产生的这种大大超过设计值的输出功率，可能引起发电机的损坏，因此，在设计时必须认真考虑动态失速的作用。
对动态失速,目前的研究还处于初步阶段,人们的认识还远远不够,通常是采用动态失速模型对常规的设计及性能预估方法进行修正。
2.2 研究方法
对风力机气动性能进行研究，主要是应用空气动力学的基本理论，特别是直升机空气动力学的基本理论，建立风力机的空气动力模型，研究风力机的空气动力特性。主要方法有三种，动量-叶素理论方法、涡尾迹方法和CFD数值模拟方法。
（1）动量-叶素理论方法
动量-叶素理论方法由动量理论和叶素理论构成。动量理论描述了作用在风轮上的力与来流风速之间的关系，给出了风轮究竟能从风的能量中转化多少机械能。动量理论首先由Rankine和Froude等人在19世纪后期提出，采用一维模型。叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿着展开方向分成许多微段，称这些微段为叶素。通过计算得到作用在每一段叶素上的气动载荷从而得到整个叶片的气动载荷。该理论由Richard Froude于1889年提出。Glauert 首先结合动量理论和叶素理论来分析螺旋桨、风车等周围的流动，并将Rankine-Froude一维流扩展为有旋转作用的二维流，建立了动量-叶素理论的雏形。Wilson将动量-叶素理论应用于风力机，形成经典的动量-叶素理论[7]。之后，动量-叶素理论广泛用于风力机叶片的的设计和性能计算。
动量-叶素理论基于绕旋转风机叶片的流动是二维、定常流的假设，可以推导出桨叶微元上的推力系数、扭矩系数和功率系数的表达式，其形式比较简单，计算量小，结果相对比较准确。但实际上旋转风轮叶片的流动是十分复杂的三维非定常流动，存在着失速延迟现象。为了更好的反映叶片的真实气动载荷和性能，在计算时进行了多种参数的修正，包括叶尖和根部修正、偏航修正、动态失速延滞修正等。如我国学者张仲柱等以动量-叶素理论为基础，同时考虑叶尖损失，叶根损失及失速状态等因素的影响对风力机叶片进行了气
动性能计算[8]。
（2）涡尾迹方法
在风力机涡流系统中，主要由中心涡、每个叶片的附着涡和叶尖形成的螺旋涡叠加而成。这些构成风力机的尾涡，是风力机能量损失的一个重要部分，占很大比重，并且尾涡对后面的风力机还有影响。因此，在气动性能计算中必须考虑风力机尾涡效应。目前，针对尾涡模型发展多种形式，包括刚性尾涡模型、半刚性尾涡模型、自由尾涡模型及其修正的自由尾涡模型等。
（3）CFD数值模拟方法
数值模拟是掌握风力机流场特性的一种有效手段，近十几年来，随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学(CFD)一跃成为流体力学领域中发展最快的方向之一，而CFD数值模拟方法用于风力机气动性能计算的研究越来越受到重视[9]。在风轮设计和性能预估分析方面，国际上先进国家已由传统的二维叶素理论发展到利用三维理论和数值模拟方法，通过在相对旋转坐标系下求解三维N-S方程获得流场，并通过湍流模型来解决粘性问题，实现一定输出功率下最佳的叶片几何形状和气动设计。气动设计的新方法可分为两大类：一类是直接数值优化方法，简称为最优化设计方法，它将CFD同最优化方法结合起来，通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值。另一类是反设计方法，它首先给定希望达到的气动状态(如压力分布)，通过几何和流动的控制方程，逐步逼近给定的气动状态，求得满足给定流场的气动翼型，它克服了传统翼型设计方法的许多缺点，具有广泛的应用前景[10]。
在我国，叶片气动性能方面的性能预估模型还是以动量-叶素理论模型为主，基于CFD 的气动评估方法还没有在实际的设计工程中得到应用。目前，已有学者用数值的方法研究了风力机翼型的相关绕流问题。如杜朝辉比较了在相同条件下，无旋转工况与旋转工况的差别；陈旭等对风力机翼型动态失速进行了数值研究；张玉良等采用大涡模拟的方法对风力机流场进行了数值模拟，得到了螺旋形尾涡系和流动细节等[11]。
随着数值技术、网格生成、湍流模型、边界条件、前处理和后处理等方面的不断完善，CFD方法在未来会成为风力机性能预测的主要方法，但就目前水平而言该方法并不成熟，仍要不断发展。
3 本文研究内容概述
本文通过查阅相关文献资料，介绍了大型风力发电机组的结构、工作原理和运行特点，并对其气动特性的基本概念和原理，以及影响因素（主要包括翼型和流场）进行了分析和总结。
参考文献：
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