低速引射式風(fēng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化.pdf

1、21世紀(jì)將是一個(gè)人類文明飛速發(fā)展的世紀(jì)，人類對(duì)能源的追求將逐漸從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)向清潔的安全可靠的綠色能源，以改善和保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境。低速風(fēng)能具有總儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、分布廣泛的優(yōu)點(diǎn)，如果能開發(fā)一種新型高效環(huán)保的風(fēng)力渦輪利用上述低速風(fēng)能發(fā)電，必將改善人類的能源結(jié)構(gòu)。但低速風(fēng)能也有能量品位低、能量密度低、湍動(dòng)度高和利用難度高的缺點(diǎn)，新型渦輪必然要很好的解決上述問題。為此，本文借鑒航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)噴管引射技術(shù)，提出采用引射效應(yīng)、端部擴(kuò)張效應(yīng)

2、和渦輪級(jí)理論設(shè)計(jì)一種低速引射式風(fēng)力渦輪，開展如下幾個(gè)方面的研究工作：
　　從最大可用能的角度，建立風(fēng)力渦輪級(jí)模型、具有端部擴(kuò)張效應(yīng)的渦輪級(jí)模型和引射式風(fēng)力渦輪模型，建立引射式風(fēng)力渦輪的各位置處的氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法?；诖朔椒?，給出風(fēng)力渦輪級(jí)和引射器相互匹配的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)。依托傳統(tǒng)渦輪級(jí)的一維設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪的葉素-動(dòng)量理論，建立針對(duì)具有徑向焓降變化大、極小徑高比特征的風(fēng)力渦輪級(jí)的壓力可控渦-葉素組準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法，結(jié)合遺傳算法和三

3、維 CFD數(shù)值仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪級(jí)葉型準(zhǔn)三維優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維葉型的構(gòu)建和修正。針對(duì)風(fēng)力渦輪引射器的工作特點(diǎn)，建立具有端部擴(kuò)張效應(yīng)的等內(nèi)涵道擴(kuò)張比的新型低速風(fēng)力波瓣引射器的計(jì)算方法，給出了基于UGNX軟件的三維造型方案。
　　為了選取適用于本文低速引射式風(fēng)力渦輪流場(chǎng)預(yù)測(cè)的數(shù)值方法，采用與本文研究對(duì)象相近雷諾數(shù)工作點(diǎn)的低速渦輪環(huán)形葉柵靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和波瓣引射器PIV試驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)照，經(jīng)過(guò)多種數(shù)值計(jì)算方法研究驗(yàn)證，采用ANSYS CFX商

4、業(yè)軟件及基于RANS方程與sst湍流模型的數(shù)值方法，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)和引射器內(nèi)外流場(chǎng)的氣動(dòng)和引射性能。
　　采用上述數(shù)值方法研究引射式風(fēng)力渦輪的多工況的功率輸出性能，分析設(shè)計(jì)點(diǎn)的葉柵內(nèi)部流動(dòng)、引射器混合管內(nèi)的混合流動(dòng)和風(fēng)力渦輪外流場(chǎng)的氣動(dòng)性能，研究波瓣后側(cè)的流向渦和正交渦的形成、發(fā)展及耗散規(guī)律，闡述內(nèi)外涵道流體在混合管內(nèi)的引射機(jī)理，指出在流向渦和正交渦及三個(gè)大尺度渦系結(jié)構(gòu)共同產(chǎn)生的引射作用下，外涵道流體泵抽內(nèi)涵道低能流

5、體，在渦輪轉(zhuǎn)子后側(cè)沿整個(gè)葉高方向產(chǎn)生了真空度，提高渦輪內(nèi)涵道的通流能力和單位質(zhì)量氣體焓降，是此結(jié)構(gòu)風(fēng)力渦輪高效利用低速風(fēng)能的根本原因，證明采用渦輪級(jí)+風(fēng)力引射器方案設(shè)計(jì)低速風(fēng)力渦輪的合理性。
　　為優(yōu)化引射器的氣動(dòng)和引射性能，分析同風(fēng)速不同轉(zhuǎn)速時(shí)引射式風(fēng)力渦輪的出口氣流角對(duì)風(fēng)力引射器性能的影響，以及深入探索在引射式渦輪總體設(shè)計(jì)方案中是否存在渦輪出口氣流角與引射器性能的最佳匹配問題，研究引射器內(nèi)涵道上游預(yù)旋角度從0°至30°變化對(duì)引

6、射性能和流場(chǎng)氣動(dòng)性能的影響。研究顯示，波瓣后的流向和正交渦量的總體水平下降，引射器內(nèi)涵道總壓損失升高；當(dāng)夾角大于10°，外流場(chǎng)中渦系結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)，風(fēng)力引射器的氣動(dòng)和引射性能明顯下降。上述研究解釋引射式風(fēng)力渦輪的性能優(yōu)于傳統(tǒng)三葉引射式風(fēng)力渦輪的原因。同時(shí)也證明在渦輪級(jí)一維和準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能確保渦輪級(jí)實(shí)際出口氣流沿軸向出氣。
　　確定幾何參數(shù)為引射性能的主要影響因素后，提出一種基于波瓣仰角、俯角、軸向長(zhǎng)度和寬度四個(gè)參數(shù)快速設(shè)計(jì)風(fēng)

7、力引射器的參數(shù)化方法，基于一次回歸正交設(shè)計(jì)、最速上升法、多元非線性回歸分析方法和CFD技術(shù)，開展風(fēng)力引射器波瓣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使渦輪級(jí)的輸出功率在原基礎(chǔ)上提升6.14-7.45％，內(nèi)涵道流量和引射能力提升約2%，實(shí)現(xiàn)2-6m/s低風(fēng)速來(lái)流的風(fēng)力利用系數(shù)在0.711-0.776范圍。采用多個(gè)低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化后引射式風(fēng)力渦輪的年發(fā)電量，指出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的年發(fā)電量約為相同轉(zhuǎn)子面積的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪的3-4倍，對(duì)高湍動(dòng)度流場(chǎng)具有良好的適應(yīng)性，更加高