低速引射式风力涡轮气动设计及优化

发布时间：2017-08-30 18:19

  本文关键词：低速引射式风力涡轮气动设计及优化

  更多相关文章： 风力涡轮 风力引射器 气动设计和优化 低速风能 端部扩张效应

【摘要】：21世纪将是一个人类文明飞速发展的世纪,人类对能源的追求将逐渐从传统化石能源转向清洁的安全可靠的绿色能源,以改善和保护人类赖以生存的环境。低速风能具有总储量大、清洁环保、分布广泛的优点,如果能开发一种新型高效环保的风力涡轮利用上述低速风能发电,必将改善人类的能源结构。但低速风能也有能量品位低、能量密度低、湍动度高和利用难度高的缺点,新型涡轮必然要很好的解决上述问题。为此,本文借鉴航空涡扇发动机喷管引射技术,提出采用引射效应、端部扩张效应和涡轮级理论设计一种低速引射式风力涡轮,开展如下几个方面的研究工作:从最大可用能的角度,建立风力涡轮级模型、具有端部扩张效应的涡轮级模型和引射式风力涡轮模型,建立引射式风力涡轮的各位置处的气动参数计算方法。基于此方法,给出风力涡轮级和引射器相互匹配的设计点参数。依托传统涡轮级的一维设计方法和传统风力涡轮的叶素-动量理论,建立针对具有径向焓降变化大、极小径高比特征的风力涡轮级的压力可控涡-叶素组准三维设计方法,结合遗传算法和三维CFD数值仿真技术,实现风力涡轮级叶型准三维优化设计、三维叶型的构建和修正。针对风力涡轮引射器的工作特点,建立具有端部扩张效应的等内涵道扩张比的新型低速风力波瓣引射器的计算方法,给出了基于UG NX软件的三维造型方案。为了选取适用于本文低速引射式风力涡轮流场预测的数值方法,采用与本文研究对象相近雷诺数工作点的低速涡轮环形叶栅静态试验数据和波瓣引射器PIV试验数据做对照,经过多种数值计算方法研究验证,采用ANSYS CFX商业软件及基于RANS方程与sst湍流模型的数值方法,可以准确预测涡轮叶栅内的流动和引射器内外流场的气动和引射性能。采用上述数值方法研究引射式风力涡轮的多工况的功率输出性能,分析设计点的叶栅内部流动、引射器混合管内的混合流动和风力涡轮外流场的气动性能,研究波瓣后侧的流向涡和正交涡的形成、发展及耗散规律,阐述内外涵道流体在混合管内的引射机理,指出在流向涡和正交涡及三个大尺度涡系结构共同产生的引射作用下,外涵道流体泵抽内涵道低能流体,在涡轮转子后侧沿整个叶高方向产生了真空度,提高涡轮内涵道的通流能力和单位质量气体焓降,是此结构风力涡轮高效利用低速风能的根本原因,证明采用涡轮级+风力引射器方案设计低速风力涡轮的合理性。为优化引射器的气动和引射性能,分析同风速不同转速时引射式风力涡轮的出口气流角对风力引射器性能的影响,以及深入探索在引射式涡轮总体设计方案中是否存在涡轮出口气流角与引射器性能的最佳匹配问题,研究引射器内涵道上游预旋角度从0°至30°变化对引射性能和流场气动性能的影响。研究显示,波瓣后的流向和正交涡量的总体水平下降,引射器内涵道总压损失升高;当夹角大于10°,外流场中涡系结构逐渐失稳,风力引射器的气动和引射性能明显下降。上述研究解释引射式风力涡轮的性能优于传统三叶引射式风力涡轮的原因。同时也证明在涡轮级一维和准三维设计中,应尽可能确保涡轮级实际出口气流沿轴向出气。确定几何参数为引射性能的主要影响因素后,提出一种基于波瓣仰角、俯角、轴向长度和宽度四个参数快速设计风力引射器的参数化方法,基于一次回归正交设计、最速上升法、多元非线性回归分析方法和CFD技术,开展风力引射器波瓣结构的优化,使涡轮级的输出功率在原基础上提升6.14~7.45%,内涵道流量和引射能力提升约2%,实现2~6m/s低风速来流的风力利用系数在0.711~0.776范围。采用多个低风速风场数据计算优化后引射式风力涡轮的年发电量,指出结构优化后的年发电量约为相同转子面积的传统风力涡轮的3~4倍,对高湍动度流场具有良好的适应性,更加高效、低噪声和环保。
【关键词】：风力涡轮 风力引射器 气动设计和优化 低速风能 端部扩张效应
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK14
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 符号表9-19
• 第1章 绪论19-51
• 1.1 课题来源19
• 1.2 研究的背景及意义19-22
• 1.3 风力涡轮国内外研究现状22-40
• 1.3.1 传统风力涡轮研究现状22-31
• 1.3.2 新型风力涡轮研究现状31-40
• 1.4 涡轮级设计优化研究现状40-43
• 1.5 引射器的研究现状43-47
• 1.6 本文的研究内容及章节安排47-51
• 第2章 低速引射式风力涡轮的设计方法51-88
• 2.1 引言51
• 2.2 低速引射式风力涡轮的总体性能计算51-62
• 2.2.1 低速引射式风力涡轮总体性能计算的重要假设52-54
• 2.2.2 单级风力涡轮模型54
• 2.2.3 端部扩张的单级风力涡轮模型54-55
• 2.2.4 引射式风力涡轮模型55-57
• 2.2.5 引射式风力涡轮的气动参数和性能计算57-59
• 2.2.6 引射式风力涡轮系统设计参数的选取59-62
• 2.3 风力涡轮叶片气动设计方法62-74
• 2.3.1 风力涡轮设计要求62-63
• 2.3.2 风力涡轮一维总体参数计算方法63-67
• 2.3.3 风力涡轮级可控涡-叶素组的准三维设计方法67-71
• 2.3.4 风力涡轮叶片参数的选取71-74
• 2.4 风力涡轮叶片造型方法74-82
• 2.4.1 子午流道形状定义75-76
• 2.4.2 径向流面定义76-77
• 2.4.3 二维叶型设计77-78
• 2.4.4 积叠规律定义78-80
• 2.4.5 风力涡轮级的三维修正80-82
• 2.5 风力引射器的三维设计82-87
• 2.6 本章小结87-88
• 第3章 引射式风力涡轮性能预测的数值方法研究88-112
• 3.1 引言88-89
• 3.2 数值计算方法89-98
• 3.2.1 控制方程89-91
• 3.2.2 离散方法91-92
• 3.2.3 湍流模型92-97
• 3.2.4 Reqg - 转捩模型97-98
• 3.3 计算方法可靠性验证98-111
• 3.3.1 低速环形涡轮叶栅气动性能实验99-105
• 3.3.2 波瓣引射器的PIV实验验证105-111
• 3.4 本章小结111-112
• 第4章 低速引射式风力涡轮气动性能研究112-129
• 4.1 引言112
• 4.2 引射式低速风力涡轮的数值计算模型112-115
• 4.2.1 几何结构112-113
• 4.2.2 数值方法113
• 4.2.3 边界条件113
• 4.2.4 计算参数113-114
• 4.2.5 网格独立性验证114-115
• 4.3 低速工况风力涡轮整体工作性能分析115-118
• 4.3.1 低速掺混引射风力涡轮性能分析115-117
• 4.3.2 与传统风力涡轮风能利用系数的对比117-118
• 4.4 低速工况风力涡轮气动性能分析118-127
• 4.4.1 风力涡轮中心平面旋涡结构及形成机理118-120
• 4.4.2 涡轮后侧气流掺混流动分析120-122
• 4.4.3 波瓣引射器后侧气流掺混流动分析122-127
• 4.5 低速工况风力涡轮多工况的引射能力分析127-128
• 4.6 本章小结128-129
• 第5章 涡轮出气角对风力引射器性能的影响研究129-146
• 5.1 引言129
• 5.2 风力引射器的性能参数129-130
• 5.3 预旋对波瓣引射器性能影响的数值计算模型130-132
• 5.3.1 几何模型130-131
• 5.3.2 数值方法131
• 5.3.3 边界条件131-132
• 5.4 网格及网格独立验证132-133
• 5.5 不同预旋工况计算结果分析133-141
• 5.5.1 预旋对风力引射器内涵道分离流动的影响133-134
• 5.5.2 预旋对流向涡和正交涡涡量沿流程的发展的影响134-139
• 5.5.3 预旋对外流场旋涡结构的影响139-141
• 5.6 与传统风力涡轮+引射器组合结构的风力涡轮比较141-144
• 5.7 本章小结144-146
• 第6章 风力引射器优化及涡轮总体性能研究146-172
• 6.1 引言146
• 6.2 风力引射器优化方案146-148
• 6.2.1 优化目标147
• 6.2.2 优化方法147-148
• 6.2.3 优化结果验证148
• 6.3 风力引射器的参数化设计148-149
• 6.4 计算模型及网格149-152
• 6.4.1 流体控制方程及边界条件149-150
• 6.4.2 计算域几何模型150
• 6.4.3 网格及网格无关性验证150-152
• 6.5 回归设计与分析152-157
• 6.5.1 一次回归正交试验及分析152-155
• 6.5.2 最速上升法确定最优解区域155-156
• 6.5.3 多元非线性回归分析156-157
• 6.6 低速风力涡轮引射器基本参数对引射性能的影响157-158
• 6.7 设计工况低速引射式风力涡轮的优化结果与原型的比较158-165
• 6.7.1 总体性能及结构参数的对比分析158-161
• 6.7.2 设计工况流场优化前后对比分析161-165
• 6.8 多工况优化后引射式风力涡轮与原型的性能比较165-167
• 6.8.1 多工况引射式风力涡轮优化前后气动性能165-167
• 6.8.2 多工况引射式风力涡轮优化前后引射性能167
• 6.9 基于不同地区风速频率评估新型涡轮年发电量167-170
• 6.9.1 引射式涡轮的年发电量的计算方法167-168
• 6.9.2 引射式风力涡轮的年均发电量计算168-170
• 6.9.3 与传统风力涡轮的综合对比170
• 6.10 本章小结170-172
• 结论172-176
• 参考文献176-197
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果197-200
• 致谢200-203
• 个人简历203

，

本文编号：760852