1.动量理论
在本文中,我们将推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T(忽略摩擦阻力)。
由于受到风轮的影响,上游自由风速V
0逐渐减小,在风轮平面内速度减小为U
1。上游大气压力为P
0,随着向叶轮的推进,压力逐渐增加,通过叶轮后,压力降低了ΔP,然后有又逐渐增加到P
0(当速度为U1时)。
根据伯努力方程
H=1/2(ρv
2) P…………(1)
ρ—空气密度
H—总压
根据公式(1),
ρV
02/2 P
0=ρu
2/2 p
1ρu
12/2 P
0=ρu
2/2 p
2P
1-p
2=ΔP
由上式可得
ΔP=ρ(V
02-u
12)/2………(2)
运用动量方程,可得作用在风轮上的推力为:
T=m(V
1-V
2)
式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量
所以:T=ρSu(V
0-u
1)
所以:压力差ΔP=T/S=ρu(V
0-u
1)
由(2)和(3)式可得:
u=1/2[(V
0-u
1)]……………………(4)
由(4)式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值,因此,如果我们用下式来表示u。
u=(1-a)*V
0(5)
a称为轴向诱导因子,则u
1可表示为:
u
1=(1-2a)*V
0(6)
功率P和推力T可分别表示为:
T=ΔP*A(7)
P=ΔP*u*A(8)
根据方程(2),(3)和(6)可得:
P=2ρa(1-a)
2*V
03A(9)
T=2ρa(1-a)V
02A(10)
通过定义功率和推力系数:
C
P=4a(1-a)
2(11)
C
T=4a(1-a)(12)
方程(9)和(10)可写成如下形式:
P=0.5ρV
03AC
P(13)
T=0.5ρV
03AC
T(14)
对方程(11)求极值
∂Cp/∂a=4(3a2-4a 1)=0(15)
求得 a=(2±1)/3=1或1/3
根据公式(6)a<0.5
所以a=1/3时,Cp有极大值
(Cp)max=16/27≌0.59 (16)
当mso-fareast-font-family:宋体">a=1/3时,Cp值最大。
2.尾涡的旋转
1.中的公式推导是基于以下假设:力矩保持线性,没有旋转个发生。
然而,叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的,根据牛顿第二定律,尾涡也在旋转,并且其旋转方向和叶轮相反。
U
1=2ωrab (17)
ω:叶轮角速度
b:切向诱导因子
作用在环素dr上的力矩为:
dQ=mu
tr
=(ρu*2πrdr)u
tr
=2πr
2ρu*u
tdr (18)
m----- 通过环素的质量流
相应的功率为:
dp=*dQ (19)
用a,b和方程(18)可以写出
dp=4πr
3Ρv
0ω
2(1-a)bdr (20)
叶轮吸收中的总功率为:
P=4π(V
0/λ
2R
2)ρ∫
0R(1-a)btr
3dr (21)
尖速比=V
0/ωr(22)
如图(2),诱导因子分别给V0和ωr一个诱导速度,并且产生一个相对速度W,因为假设的是无摩擦流动,诱导速度必定垂直于W,a和b并不是独立的,有以下关系:
〔bωr〕/[aV0]=[V0(1-a)]/[ωr(1 b)](23)
λ(r)=V0/ωr(24)
由以上两式可得:
a(1-a)λ2(r)=b(1 b)(25)如图(3),对于小的尖速比λ(r)来说,叶片转速相对风速来说较大,这时切向诱导系数b几乎可以忽略,轴向诱导系数几乎达到了0.333,对于大的尖速比λ(r),尾涡的影响较大,最大功率输出时,a减小到0.25。如图(4),理想的高速风机(无摩擦)其风能利用系数可达到贝兹极限(Cp=0.593),然而低速风力机如多叶片风机由于尾涡的影响其理论Cp值不会超过0.30。(
来源:佳工机电网