這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)是研究多葉片水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（HAWT）轉(zhuǎn)子周?chē)娜S流場(chǎng)，并研究其性能特點(diǎn)，采用計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件對(duì)該新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)估。
本文介紹的是一種新型的多葉片轉(zhuǎn)子風(fēng)力渦輪機(jī)的流動(dòng)特性的數(shù)值研究，它是由Thunderbird Power Corp專(zhuān)利的一種新概念。
該發(fā)明介紹了一種水平風(fēng)機(jī)，由多個(gè)帆組成，這些帆由從軸心向外延伸的幾個(gè)臂支撐。
(資料圖片)
此外，轉(zhuǎn)子的后側(cè)還連接著一個(gè)護(hù)罩，能夠幫助機(jī)器捕獲風(fēng)能。
多葉片轉(zhuǎn)子風(fēng)力渦輪機(jī)
該專(zhuān)利還披露了在第一轉(zhuǎn)子系列中添加第二轉(zhuǎn)子的想法，每個(gè)轉(zhuǎn)子都與一個(gè)獨(dú)立的軸相耦合，兩個(gè)軸通過(guò)離合器機(jī)構(gòu)相連。
專(zhuān)利聲稱(chēng)，與相同直徑的單獨(dú)轉(zhuǎn)子相比，多轉(zhuǎn)子概念能夠提供更多的功率。
該渦輪機(jī)可用于發(fā)電和抽水，下圖展示了多葉片和多轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)配置。
相對(duì)于現(xiàn)代水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)，高實(shí)度的風(fēng)車(chē)在低端速度下產(chǎn)生更大的扭矩，這意味著具有更高固體度的風(fēng)機(jī)能夠在更廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，從而提高渦輪機(jī)的總體功率輸出。
帶護(hù)罩的多葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)概念等距視圖
本文研究的模型是上述專(zhuān)利風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化版本，由單個(gè)多葉片轉(zhuǎn)子組成。
本文所做的工作分析了高實(shí)度轉(zhuǎn)子對(duì)醒目流的影響，并研究了不同轉(zhuǎn)速和不同風(fēng)速下風(fēng)力渦輪機(jī)的扭矩和功率輸出。
為了評(píng)估后續(xù)轉(zhuǎn)子的適當(dāng)位置，對(duì)轉(zhuǎn)子尾跡的速度分布進(jìn)行了徹底的調(diào)查。
多轉(zhuǎn)子多葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)概念側(cè)視圖
物理模型和邊界條件
在本研究中，使用SOILDWORKS CAD軟件包建模了原專(zhuān)利多葉片轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化版本。
由于葉片均勻分布在轉(zhuǎn)子周?chē)?0度的間隔內(nèi)，因此選擇了整個(gè)轉(zhuǎn)子的九分之一進(jìn)行研究，并通過(guò)應(yīng)用周期邊界條件，在必要時(shí)考慮了其余葉片的影響。
分析風(fēng)力渦輪機(jī)的其他部件，包括軸承、塔和臂的影響超出了本研究的范圍。
對(duì)于當(dāng)前的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子直徑設(shè)置為3.5英尺，由18個(gè)相同長(zhǎng)度為6.3英寸的帆組成。
下圖展示了轉(zhuǎn)子幾何形狀的幾個(gè)視圖，其中通過(guò)虛線表示了九分之一周期單元。
多葉片旋翼幾何視圖
多葉片旋翼幾何視圖
定義任何問(wèn)題的域都會(huì)引入流動(dòng)解決方案的誤差，因?yàn)檫吔鐟?yīng)自然位于物體的無(wú)限距離處，然而在實(shí)踐中這種距離是有限的。
計(jì)算域的尺寸必須足夠大，以合理預(yù)測(cè)湍流現(xiàn)象，壓力和速度分布。
對(duì)于這項(xiàng)研究，域是一個(gè)旋轉(zhuǎn)單元，自由流在距離轉(zhuǎn)子1.5 L上游的地方進(jìn)入流動(dòng)域，在距離轉(zhuǎn)子2 L下游的地方退出，其中L代表帆的長(zhǎng)度。
整個(gè)域是一個(gè)直徑為1.3 D的圓柱的九分之一，其中D為轉(zhuǎn)子直徑，計(jì)算流體域的幾何形狀在下圖中說(shuō)明。
計(jì)算域幾何
在考慮轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況下，模型設(shè)置中激活了框架運(yùn)動(dòng)，并將其旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在流動(dòng)方向上，以轉(zhuǎn)子的負(fù)旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
進(jìn)口速度邊界條件通過(guò)改變風(fēng)速的大小用于域的上游面，下游表面邊界條件設(shè)定為出口標(biāo)準(zhǔn)壓力。
由于計(jì)算域的上下表面對(duì)流動(dòng)解決方案沒(méi)有影響，它們被調(diào)整為對(duì)稱(chēng)性邊界。
由于側(cè)面的交叉流是相互相通的，因此側(cè)面使用周期性邊界條件。
最后，帆面周?chē)谋砻姹辉O(shè)置為無(wú)滑移邊界，湍流強(qiáng)度和粘度比分別保持軟件默認(rèn)值為5%和10%，下圖說(shuō)明了計(jì)算流域的邊界。
流體域的邊界條件
首先，采用了一個(gè)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)參考系。
其次，使用的是ANSYS Fluent套件中的網(wǎng)格軟件，將流體域離散成約440,000個(gè)單元，其中結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域分別用于加速求解過(guò)程。
計(jì)算區(qū)域被離散為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化區(qū)域
內(nèi)部復(fù)雜幾何形狀的部分采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元進(jìn)行覆蓋，而計(jì)算域的外部部分則用結(jié)構(gòu)化六面體單元鋪設(shè)。
為了捕捉流動(dòng)的完全湍流行為，沿葉片表面添加了數(shù)層生長(zhǎng)率為1.2的棱柱形楔體，并且目標(biāo)y +值大于30。
使用棱鏡層捕捉完全湍流行為
通過(guò)使用楔體層，由于數(shù)值擴(kuò)散的減少，得到了合理的收斂速率。
為了達(dá)到高整體網(wǎng)格質(zhì)量，還采用了全局和局部網(wǎng)格技術(shù)，如邊緣大小和體積大小，分別獲取傾斜度和正交質(zhì)量的平均網(wǎng)格度量為0.24和0.75。
最后，根據(jù)表1和表2中所列出的流體特性和應(yīng)用數(shù)值方案進(jìn)行了該模擬，并且所得到的結(jié)果是在網(wǎng)格獨(dú)立性研究中表現(xiàn)出的網(wǎng)格數(shù)量下達(dá)到的穩(wěn)態(tài)條件。
表1 應(yīng)用流體屬性
表2 應(yīng)用數(shù)值方案
結(jié)果和討論
在這項(xiàng)分析中，自由流入風(fēng)沿著負(fù)Z方向平行于地面，進(jìn)行了四種不同風(fēng)速（5、10、15和25 MPH，相當(dāng)于約2.2、4.5、6.7和11 m/s）下的流動(dòng)可視化分析。
風(fēng)力機(jī)的槳尖速比保持恒定為0.7，這在歷史上是美國(guó)多葉片水平軸風(fēng)力機(jī)可達(dá)到的最高功率系數(shù)。
每種情況的橫截面扭矩被獲得，并乘以9的因數(shù)以獲得總轉(zhuǎn)子扭矩，因?yàn)槟M是通過(guò)轉(zhuǎn)子的1/9部分完成的。轉(zhuǎn)子功率通過(guò)將扭矩值乘以轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)計(jì)算。
流體域采用六面體和四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分
為了更好地理解尾流區(qū)域的流動(dòng)行為，創(chuàng)建了幾個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸平行和垂直的位置的平面。
平行平面位于計(jì)算域的周期表面上，覆蓋軸向距離3.5 L。
三個(gè)垂直平面分別位于轉(zhuǎn)子面后0.4 L、0.75 L和1.25 L處，如圖所示，并用于監(jiān)測(cè)尾流流動(dòng)的軸向速度?！?/p>
距離轉(zhuǎn)子后面0.4 L、0.75 L和1.25 L的三個(gè)平面，垂直于旋轉(zhuǎn)軸
在不同的風(fēng)速下，轉(zhuǎn)子后方的尾流的軸向流特性，在第一組進(jìn)風(fēng)速度中，用白色圓圈標(biāo)出了軸向速度最高的區(qū)域。
根據(jù)以上圖形，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有情況，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片后的外部區(qū)域的軸向流速度隨著轉(zhuǎn)子盤(pán)旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的預(yù)期趨勢(shì)。
隨著流體在下游行進(jìn)，軸向速度的增加趨勢(shì)逐漸減緩，轉(zhuǎn)子盤(pán)面陰影區(qū)軸向速度的降低是由于轉(zhuǎn)子從自由流中提取的動(dòng)力。
遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子飛行高度的區(qū)域中的低速尾流也可以得到較快的恢復(fù)，下圖展示了平行于旋轉(zhuǎn)軸的平面中的流動(dòng)行為，并支持之前的結(jié)論。
在尾流區(qū)域的刀片上方的深藍(lán)色區(qū)域表明軸向速度加速，這決定了放置第二個(gè)轉(zhuǎn)子的適當(dāng)位置。
風(fēng)速為25 MPH (=11 m/s)時(shí)，平行于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)的軸向速度矢量
通過(guò)研究葉片表面的壓力等值線，顯示出面向風(fēng)的表面具有比后面的表面更高的壓力大小，這是預(yù)期的結(jié)果。
轉(zhuǎn)子帆兩側(cè)壓力的差別導(dǎo)致依據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的提升力，對(duì)葉片壓力面的更詳細(xì)觀察顯示出，在旋轉(zhuǎn)方向的位置上，即朝向旋轉(zhuǎn)方向的前緣相對(duì)于其余帆面擁有更高的壓力。
但對(duì)于吸力面而言，正好相反，面向旋轉(zhuǎn)方向的邊緣是壓力較低的區(qū)域。
在下圖中，每個(gè)面上高壓區(qū)域用橢圓形表示，隨著風(fēng)速增加，高壓區(qū)域?qū)⒁苿?dòng)到整個(gè)帆面上。
風(fēng)速為5英里/小時(shí)(= 2.2米/秒)和15英里/小時(shí)(= 6.7米/秒)時(shí)船帆前表面(左)和后表面(右)的壓力等值線圖
如前所述，整個(gè)分析過(guò)程中，槳尖速比保持恒定為0.7，因此當(dāng)來(lái)流風(fēng)速增加時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度呈線性增長(zhǎng)，這種行為如圖所示。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系
在使用流體求解器的Academic Teaching許可證的最大單元數(shù)限制下，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性分析，以研究所選網(wǎng)格元素?cái)?shù)的流動(dòng)解決方案的主要輸出的穩(wěn)定性。
結(jié)果表明，在單元數(shù)約為400,000時(shí)，分段扭矩的波動(dòng)非常小。
不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的截面轉(zhuǎn)矩值
鑒于所評(píng)估的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的新穎性，沒(méi)有可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。
但下圖中報(bào)告的功率系數(shù)的值顯示出與根據(jù)槳尖速比的統(tǒng)計(jì)圖表發(fā)表的多葉片美式水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)的功率系數(shù)相一致的結(jié)果。
作為風(fēng)速函數(shù)的總功率系數(shù)
根據(jù)下圖，在槳尖速比為0.7的情況下，可以預(yù)計(jì)多葉片美式水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)的功率系數(shù)約為0.13至0.14，該行為也很好地觀察到了所關(guān)心的轉(zhuǎn)子上。
葉尖速比(橫軸)與轉(zhuǎn)子功率系數(shù)(縱軸)的統(tǒng)計(jì)圖
結(jié)論
高實(shí)度風(fēng)車(chē)相較于現(xiàn)代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，更容易在低槳尖速度下產(chǎn)生扭矩，這意味著高實(shí)度的風(fēng)機(jī)可以在更廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，從而增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量。
所評(píng)估的模型為最近專(zhuān)利的風(fēng)機(jī)的簡(jiǎn)化版，包含一個(gè)多葉旋轉(zhuǎn)槳，此評(píng)估分析了旋轉(zhuǎn)槳周?chē)牧黧w行為，并根據(jù)不同旋轉(zhuǎn)速度和風(fēng)速評(píng)估了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扭矩和功率輸出。
軸向速度趨勢(shì)的旋轉(zhuǎn)槳尾流也進(jìn)行了全面研究，以便合理安置添加的旋轉(zhuǎn)槳。
結(jié)果表明，在旋轉(zhuǎn)槳下游的外部尾流區(qū)域，流體速度加速，因此在前一個(gè)旋轉(zhuǎn)槳后方放置直徑更大的多葉旋轉(zhuǎn)槳可以利用加速的尾流，并且改善整個(gè)風(fēng)機(jī)的功率輸出。
對(duì)于特定的轉(zhuǎn)速，實(shí)度的增加可以增加扭矩產(chǎn)生量，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的更高電力輸出 。
但是，實(shí)度更高的值會(huì)造成不良的入風(fēng)阻塞，并以負(fù)面影響的方式影響旋轉(zhuǎn)槳的功率提取。因此，找到平衡高扭矩和流體阻塞的最佳實(shí)度程度是至關(guān)重要的。
參考文獻(xiàn)
[1]EIA(2019)《2019年國(guó)際能源展望》,包括對(duì)2050年的預(yù)測(cè)。美國(guó)能源部能源信息管理局，華盛頓。
[2]國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)(2019年)，《2018年可再生能源發(fā)電成本》，國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)，阿布扎比。
[3]EIA(2020)《2020年年度能源展望及2050年預(yù)測(cè)》,美國(guó)能源部能源信息管理局，華盛頓。
[4]Muiruri，P.I .、Motsamai，O.S .和Ndeda，R. (2019)高檔風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的RANS湍流模型比較研究。SN應(yīng)用科學(xué)，1，文章編號(hào):237。
[5]Gómez-Iradi，s .和Barakos，G. N. (2008)對(duì)一些風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究。機(jī)械工程師學(xué)會(huì)會(huì)議錄，A部分:動(dòng)力與能源雜志，222，455-470。
[6]Sutz，P.E .和Jenkins，R.K. (2018)帶罩轉(zhuǎn)子的多葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)。專(zhuān)利號(hào)10066597。
[7]Tangler，J.L. (2000)轉(zhuǎn)子和葉片設(shè)計(jì)的演變。
[8]Menter，F(xiàn).R. (2011)工程流的湍流建模。
[9]Ragheb，m .和Ragheb，A.M. (2012)風(fēng)力渦輪機(jī)理論——貝茲方程和最佳轉(zhuǎn)子葉尖速比。Fundam。風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)和高級(jí)課題，1，19-38。
關(guān)鍵詞：
