1MW海上大型风力机气动设计

孙雷 雷玮剑 张智伟 胡丹梅

摘 要

根据1MW海上大型风力系统的气动设计要求，选取风轮叶片数目，进而确定了叶尖速比和风轮直径，在叶片不同长度处选择WA系列不同的翼型。计算结果表明，风力机功率满足气动设计要求。

关键词

海上大型风力机;风机叶片;WA系列翼型;气动设计

中图分类号： TK83           文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.019

随着清洁能源利用技术的大力发展，风能的开发与利用，尤其是海上大型风电技术，已开始倍受世界各国的青睐与重视。本设计方案采用了目前应用最为广泛的水平轴式风力机形式，针对1MW海上大型风力系统风轮的基本几何尺寸与动力要求，对叶片数、风轮直径、叶尖速比、翼型等参数进行了气动设计。

1 风力机设计基本定义

叶片投影面积：叶片在风轮扫掠面积上的投影的面积呈叶片投影面积。

叶片翼型：叶片横截面的形状。

叶片几何攻角：翼型气流方向与翼型弦线之间的夹角，用α表示。

风轮扫掠面积：风轮叶片旋转一周扫过的面积。

风轮额定转速：输出额定功率时，风轮的转速。

叶尖速比：叶片尖部旋转时的切向速度与风轮前来流的风速之比，用λ表示。

2 风力机气动设计基本参数

2.1 风力机给定参数

设计安装地点：上海市东海大桥附近地区。

风力机额定功率：1MW，设计风速8m/s。

风场空气密度为1.21kg/m3。

有效风速小时数约8450小时/年。

海面以上90米高的年平均风速约8.6m/s 。

2.2 年平均风能密度的确定

3 风力机几何尺寸的确定

风力机的几何尺寸与风力机使用目的以及使用地风况相关。东海大桥地区属于风能丰富区域，需连接高转速发电机。为了避免齿轮箱增速比过高，需要风轮采用較高的转速，故选择高叶尖速比值λ的风轮，使风力机具有较高的功率系数。一般，高速风轮的λ=5～8，根据表1，1MW海上大型风力机系统选取尖速比λ=6。

3.1 风力机叶片数确定

对于大型高转速风力机（λ>5），选择叶片数时需要考虑以下原则：采用较高的风轮转速，以便减少叶片数，减少风力机成本;采用较小的齿轮箱增速比，以便降低齿轮箱的生产费用;叶片叶素的设计弦长c与设计的叶片数z成反比，应合理选取这两个参数。

选择风力机叶片数与风力机的用途、尖速比存在一定的匹配关系。三叶片风轮转子动平衡性较好，转子不易偏离正常风向或摇摆运动，风轮运转时受干扰可能性比较低。前期设定尖速比λ=6，根据表2，本海上大型风电系统选取三叶片的风力机。

3.2 风力机的有效功率

6 结论

本文对1MW海上大型风力机进行气动设计计算，用相关经验公式和相关关系式计算得出风力机叶片的尺寸、风力机功率等，计算结果表明：

（1）风轮叶片扫掠面积为6690m2，直径为92.2929m，转速为10r/min。

（2）自转动中心至叶尖，风力机翼型选取WA系列。

（3）通过进行叶片空气动力特性计算，得出功率为1.0224 63MW，功率系数为0.49，满足1MW海上大型风力机的设计功率要求。

参考文献

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