GH-Bladed-风力发电机性能和负载计算手册

GHBladed理论手册1.绪论目的GHBladed是一个关于风力发电机性能和负载计算的集成软件包。应用于以下方面：●风力发电机初步设计●详细设计及部件规范●风力发电机的验证本软件有着尖端的用户绘图界面，允许用户直接完成下列任务：●所有风机参数，风速输入和载荷的规范。●稳态特性的快速计算，包括：◇空气动力学数据◇性能系数◇功率曲线◇稳定运行载荷◇稳定停机载荷●完成以下动态仿真：◇正常运行◇启动◇正常与紧急停车◇空转◇停车◇动态功率曲线●所得结果的后期处理：◇基本统计◇周期分量分析◇概率密度，峰值和平面交叉分析◇谱分析◇交叉普，一致性和传递功能分析◇雨流周期计算和疲劳分析◇变量的集合◇产生的年功率◇最终载荷（恶劣状况的可鉴别性）◇严重闪变●陈述：结果可以以图解形式描述或整理成文字报告。理论背景GH计算风机性能和载荷的方法已经研发了好多年。这种主要的研发目标已经取得了用于风机设计和验证的可靠工具。本软件中的模型和理论方法已经通过许多不同型号和配置的风机的监控数据被加以验证，包括：●WEGMS-1，UK，1991●HowdenHWP300andHWP330,USA,1993●WCN25mHAT,Netherland,1993●Newinco500Kw,Netherland,1993●Nordex26m,Denmark,1993●NibeA,Denmark,1993●HolecWPS30,Netherlands,1993●RivaCalzoniM30,Italy,1993●Nordtank300KW,Denmark,1994●WindMaster750kw,Netherlands,1994●Tjaereborg2MW,Denmark,1994●ZondZ-40,USA,1994●Nordtank500KW,UK,1995●VestasV27,Greece,1995●Danwin200kw,Sweden,1995●Carter300kw,UK,1995●NedWind50,1MW,Netherlands,1996●DESA,300KW,Spain1997●NTK600,UK,1998●WestMedit,Italy,1998●Nordex1.3MW,Germany,1999●TheWindTurbineCompany350kw,USA,2000●Windtec1.3MW,Austria,2000●WEGMS-4400KW,UK,2000●EHN1.3MW,Spain,2001●Vestas2MW,UK,2001●Lagerwey750Netherlangds,2001●Vergnet200,France2001这些文献描述了GHBladed软件中不同模型和具体的数字方法的理论背景。支持GHBladed软件提供一年的维护和支持协议，本协议可持续更新。这项支持包括使用电话的热线帮助服务，传真或电子邮件：电话：[phone]传真：[phone]E-mail：[e-mail]1.4文件除了本理论手册，还有GHBladed用户手册用以介绍编码的使用。1.5感谢发展于JOULEII项目下的GHBladed得到了欧洲协会的代理的帮助，其项目编号为JOU2-CT92-0198。2.空气动力学由本公司提供的风轮空气动力学的建模是以对组合叶素确定一个好的处理和动力理论为基础的。动力理论的两个主要的扩展是用来选择编码以处理空气动力学的不稳定性。这两个扩展中的第一个允许尾迹的动力学的使用，第二个通过使用一个失速滞后模型给出动力学失速的陈述。下面给出由Bladed提供的风轮的空气动力学的运用的不同方面的理论背景。2.1组合叶素和动量理论由Bladed提供的空气动力学模型的核心是组合叶素和动量理论。风轮空气动力学的运用的特点描述如下。2.1.1起动圆盘模型为了帮助理解组合叶素和动量理论，开始时将风轮看作是一个起动圆盘是非常有用的。尽管这一模型非常简单，它还是为风轮的空气动力学提供了颇有价值的视野。风力发电机是通过在穿过风轮横扫面的静压产生一个级变来从风中吸取能量的。当气流到达风轮时它逐渐降速，导致静压得降低，通过风轮圆盘的静压的减少导致了后面的气流形成了一个次级气压。当气流为下风向时，气压就会爬回到导致风速进一步降低的气流值。因此风的动能就会减少，而这些动能是可以由发电机转化为有用能的。在以上描述的起动圆盘模型的过程中，在风轮圆盘的风速dU与上风向的风速0U有下面的联系：01UaUd在风轮圆盘处减小的风速明显的由a的大小决定，a是轴向流动感应因数或流入因数。通过应用Bernoulli等式并假定流动是均衡的和不可压缩的，由风轮所产生的功率P可由下式给出：23012aaAUP此处是空气密度，A是风轮圆盘的面积。作用在风轮圆盘上的推力T可近似有下式给出：aaAUT1220无量纲的功率和推力因数，PC和TC分别表示如下：2302114/aaAUPCPaaAUTCT14/2021功率因数PC的最大值是16/27，此时a等于1/3，这是由Betz限制得到的。推力因数TC的最大值是1，此时a是1/2。2.1.2尾流旋转上面所用的起动圆盘的概念允许从风中吸取能量的估计而不考虑由风轮所吸收的转化成风轮的转矩Q和角速度的那部分能量。风轮转矩必须产生一个与对应风速角度动量变化率相等，并因此降低气流切线方向的速率。根据切线方向气流感应因数'a可以明确确定切线方向的速率的变化。风轮圆盘上风向的切线速率是0，在半径为r的风轮的圆盘上的切线速率是'ra，远离下风向的切线速率是2'ra。因为切线速率反作用于转矩上，所以它与叶片的运动是相对的。风轮所产生的转矩与角度变化成比例可以表示如下：0'41UaaRQ2.1.3叶素理论组合叶素和动量理论是上述起动圆盘理论的拓展。风轮叶片被分成许多的叶素，前面描述的理论并不是将风轮圆盘作为一个整体来应用，而是应用在每一个叶素所扫略过的一系列圆环上。并且假定每一个圆环都是作为一个独立的起动圆盘以相同的方式起作用。在每一个径向位置上轴向和角度动量的变化率与每一个叶片元素所产生的推力和转矩相等。半径为r处长度为dr的叶素所产生的推力dT为：cdrCCWdTDLsincos221其中W是叶素的视在风速向量的模，是入射角，指定了相对于叶片旋转平面的视在风速矢量的方向，c是叶素的弦，LC和DC分别是升力系数和阻力系数。机翼的升力和阻力系数由下式确定：SVLCL221/SVDCD221/其中L和D是升力和阻力，S是机翼的俯视面积，V是相对于机翼的风速。半径为r处长度为dr的叶素所产生的转矩dQ为：cdrCCrWdQDLcossin221为了解决适合特殊叶素径向位置的轴向与切线气流感应因数，叶素所产生的推力和转矩与通过叶素扫略的圆环的轴向和角度动量的变化率相等。应用轴向和角度动量的表达类似于上面2.1.1和2.1.2部分的起动圆盘，环形感应系数表述如下：111/gga22'1/gga其中HFCCrBcgDL21sin4sincos2cossin4cossin22FCCrBcgDL此处B是叶片的数量，F是考虑到叶尖和轮毂损耗的因数，参考2.1.4部分。参数H定义如下：当3539.0a时，0.1H当3539.0a时，279.061.06.014aaaaH当轴向感应系数a大于0.5时，风轮过载并运行在“湍流尾流状态”。在此条件下2.1.1部分所展现的执行圆盘理论不再有效，推力系数的表达式：aaCT14必须由经验表达式取代：279.061.06.0aaCTBladed叶素理论的实现是基于经验模型的a值大于0.3539而不是0.5的变换。这一策略导致了两种气流状态模型之间的平滑转换。a与a所展现的等式只能给出迭代格式。其过程包括给出a和a的初始估计值，计算作为a和a函数的参数1g和2g，然后用上面的等式来修正a和a的值。一直持续这个过程直到a和a达到要求的值。在Bladed中假设下面的情况下才会得到解：tolaakk1tolaakk1其中tol是用户所允许的空气动力公差值。2.1.4叶尖与轮毂损耗模型风机风轮的尾流在每一个风轮叶片之后形成一个漩涡。因此在风轮盘面上固定点的感应速率不是时间常数，而是在每一个叶片的通道之间波动，旋转片的桨距越大，叶片的数量越多，感应速率的变化量就越大。整体效果就是减少纯动量变化并因此减少纯发电功率。如果感应系数a定义为叶片通过风轮盘面的一个给定点时的瞬时值，在那一点的平均感应系数将是taF，此处tF是一个低于整体的系数。通过与在航空机翼的叶尖上相同的方式，尾流漩涡将叶片叶尖上的流通降低到0。因此，在叶尖上系数tF是0。按照航空机翼的类推，这一降低是由来自叶尖痕迹的漩涡造成的，tF作为叶尖降低系数。Prandtl[2.2]采用一种方法来处理这种螺旋桨理论。结果，远离尾流，螺旋涡流平面可以由实心盘面代替，调整相同的桨距为以尾流速度移到下风向的连续旋转片之间的正常的间距。尾流之外的流速是自由气流值因此要比盘面上的快。在盘面的边缘，最快的自由气流其波形弯曲介于两者之间，故造成了盘面之间的平均轴向速率要比盘面本身的速率高，因此要模拟动量改变的降低。系数tF可以表示如下：dsFtexparccos2此处s是来自风轮叶片的叶尖处半径的距离d是两个连续螺旋片的距离。同在叶尖处相似在叶片的根部也发生了类似的降低，气流一定降到0，因此涡流被拖到尾部，可计算出独立的轮毂降低系数hF，在叶片任何部位的有效高度降低系数为：htFFF结合的叶尖和轮毂降低系数被用在上面2.1.3部分提到的叶素理论的等式中。2.2尾流模型2.2.1平衡尾流对于风机性能的时域动态模拟的叶素理论的应用是假设尾流瞬时起作用于叶片载荷的变化。这种处理被认为是一种平衡尾流模型，涉及在每一个风轮叶片的每一个元素和动态模拟的每一个时间步长的轴向和切线的感应系数的重新计算。基于这种处理沿每一个叶片的诱导速度可以以瞬时解的形式求得其在特殊气流条件和每一个叶片的每一个元素所承受的载荷下的解。很明显，在叶素理论的说明中特殊的叶素轴向与切线方向感应速率随时间而变化且在由叶素扫略的环面里并非常数。叶素理论的平衡尾流处理是此处所描述的三个处理中最要求计算的。2.2.2静态尾流在静态尾流模型中，对于统一风场在平均轮毂高度处的模拟风条件下的风速其轴向与切线方向的诱导速度是通过使用叶素理论来计算的。根据平均，统一的气流条件计算的诱导速率被假定是固定的或者在时间上是静态的。沿叶片方向从一个叶素到另一个叶素的诱导速率是不同的但在由叶素扫略的环面里却是常数。因此，每一个叶片经历着相同的相同的诱导气流的径向分布。注意到此处的静态对象是轴向和切线方向的诱导速率0aU和ra而不是感应系数a和a是非常重要的。2.2.3动态尾流诚如以上所描述的，平衡尾流模型假设尾流和诱导速率流场在叶片载荷中同时发生变化。另一方面，静态尾流模型假设诱导流场在瞬时风条件和叶片载荷中其变化是完全独立的。实际上这些处理严格来说没有一种是正确的。叶片载荷的变化改变了风轮尾流拖拉而成的漩涡，这些改变的整体效果花费了有限的时间来改变诱导流场。与此方法相关的动态一般是被作为“动态注入”。动态注入的研究始于40年前的直升机空气动力学的文章。简单来说，这一理论提供了一种描述风轮载荷所经历的诱导流场的动态相关性。Bladed所用的动态注入模型是以在直升机领域已经得以真实确认的Pitt和Peters的论文为基础的，参考举例Gaonker等[2.4]。Pitt和Peters模型的最初发展是对于一个启动盘，假设此启动盘涉及穿过盘面的入流的分布。在Bladed里，既然这个模型避免了任何关于穿过盘面的入流的分布的假设，因此它被用在叶素和启