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GH-Bladed 理论手册（中文版）.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.85M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    GH Bladed 理论手册 1. 绪论 目的 GH Bladed 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： ● WEG MS-1，UK，1991 ● Howden HWP300andHWP330,USA,1993 ● WCN 25m HAT,Netherland,1993
    ● Newinco 500Kw, Netherland,1993 ● Nordex 26m,Denmark,1993 ● Nibe A, Denmark,1993 ● Holec WPS30,Netherlands,1993 ● Riva Calzoni M30,Italy,1993 ● Nordtank 300KW, Denmark,1994 ● WindMaster 750kw, Netherlands,1994 ● Tjaereborg 2MW, Denmark,1994 ● Zond Z-40,USA,1994 ● Nordtank 500KW,UK,1995 ● Vestas V27,Greece,1995 ● Danwin 200kw,Sweden,1995 ● Carter 300kw,UK,1995 ● NedWind 50,1MW, Netherlands,1996 ● DESA,300KW,Spain 1997 ● NTK 600,UK,1998 ● West Medit,Italy,1998 ● Nordex 1.3MW,Germany,1999 ● The Wind Turbine Company 350kw,USA,2000 ● Windtec 1.3MW,Austria,2000 ● WEG MS-4400KW,UK,2000 ● EHN 1.3MW,Spain,2001 ● Vestas 2MW,UK,2001 ● Lagerwey 750 Netherlangds,2001 ● Vergnet 200,France 2001 这些文献描述了 GH Bladed 软件中不同模型和具体的数字方法的理论背景。 支持 GH Bladed 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：+44（0）1179729900 传真：+44（0）1179729901 E-mail：bladed@bristol.garradhassan.co.uk 1.4 文件 除了本理论手册，还有 GH Bladed 用户手册用以介绍编码的使用。 1.5 感谢 发展于 JOULE II 项目下的 GH Bladed 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： U d  1   Ua 0 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： P 2 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：   AU  1  a 2 3 a 0 T  2 AU 0 2  1 a  a 无量纲的功率和推力因数， PC 和 TC 分别表示如下： CP  P CT  T  /  / 1 2 AU  0 3 1  2 AU 2 0     14 a  2 a   14 a  a 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： R Q    4 1   Uaa '  0 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： cdr   CW  cos   sin dT C  2 1 2 L D 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： CL  L 2 2  1/   1/  SV SV 2 2 CD  D 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： dQ  1 2  CrW  2 sin   C D L cos cdr  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： a   1 1/ g  1 g ' a  g 2  1/  g 2 其中 g 1  g 2  Bc 2 r  Bc 2 r   C L cos C   2 4 sin F sin D    H  C L sin 4 F cos C   D cos sin    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 .0a 3539 时， 0.1H 当 .0a 3539 时， H    14 a a   79.0 61.06.0 a   2 a
    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： CT   14 a  a 必须由经验表达式取代： CT  61.06.0 a   79.0 a 2 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： a k  a k 1  tol a  k a 1 k tol 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：  exp arccos Ft 2     s  d  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： t FFF  h
    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 被用在叶素和启动轮等级中。 由半径 1R 和 2R 所确定的叶素需要以风速 0U ，基本推力，dT 来均匀轴向气流，表达式 如下： dT  02 amU  amU A  0 其中 m 是流过环面的质量， Am 是环面作用的外观质量，a 是轴向感应系数。 流过换面叶素的质量由下式给出： m   10 U  dAa 其中 dA 环面的横截面积。 对于半径为 R 的圆盘，它所作用的外观质量基本上是通过势论，Tuckerman [2.5] 给出的：
    mA 8 R  3 3 因此与环面相关的推力系数表达如下： CT   14 a   a  16 3 U  0  R  R 2 2 3 2   3 2 R 1 R 1  a  因此微分等式可以用来代替叶素理和动量理论等式计算轴向入流。等式在每一个步长 上积分已给出叶片上叶素的入流值所确定的时间。切线方向的入流用常用的方式就能得到， 因此它依赖于轴向值所确定的时间。已经证明等式将一个时间滞后引入由径向位置所确定的 入流的计算中。 可能对于每一个在这种方式下计算的叶素来说时间滞后值将低估动态入流的某些效 果，比如单独处理一个叶素而不考虑尾流的三维性或者叶尖涡流的可能的支配效果。然而这 种处理是与叶素理论相一致的，它提供了一个简单、计算便宜并可靠的风轮尾流和诱导速度 流域的模拟动态的方法。 2.3 静态失速 关于旋转风力发电机叶片的空气动力学失速的一般理解的陈述及一定的延伸依然比较 少。考虑到相对于工业来说失速的重要性这便成为一种非常特别的情形。 由于三维的入射流场，风轮叶片的舱内部分的失速延迟已经通过模型和实体的测量得以 全面验证。许多半经验模型已经发展成校正二维机翼数据来计算失速延迟。尽管这种模型被 用在失速调节风轮的设计分析上，但是现在，应用于大部分的机翼部分和风轮结构的综合有 效性比较薄弱。因此，Bladed 并没有具体的机翼数据修正模型来处理失速延迟，但是用户 能够应用任何他认为较先前输入编码合适的机翼数据的修正。 2.4 动态失速 失速及其结果对于大多数动力学设施的设计和运行是非常重要的。大多数传统航空力学 的应用都是通过很好的控制在所用机翼的静态失速角之下来避免失速的。然而，直升机与失 速调节的风轮机运行的状态，此状态为至少他们的风轮叶片有一部分是在失速状态。确实失 速调节风力发电机依靠机翼的失速行为来限制风轮在高风速时的最大功率输出。 一定的不稳定度总是伴随着高度冲击时机翼上面的湍流。经历不稳定状态的提升表面的 失速比静态失速更复杂。 在倾角快速增长的振荡机翼上，失速的起始时间可以延迟到倾角大大超过静态失速角。 然而，当动态失速发生时，通常要比静态失速更加严重。空气动力与力矩相对于冲击的瞬态 角呈现出很大的滞后，尤其是当振荡为接近于静态失速角的平均角。对于直接，唯一的流场 调整的准稳定状态，倾角的每一次变化都呈现出非常重要的差异。 许多预测机翼部分动态失速的方法已经得以发展，主要用于直升机行业。 采用的包括机翼的不稳定性在内的方法取自 Beddoes。发展 Beddoes 模型用于直升机风 轮性能计算，并且对于用于直升机风轮的机翼部分的动态风道测试已经阐述了很多年。已经 被 Harris 和 Galbraith 等公司成功用于垂直轴风力发电机的行为预测。 Bladed 中所用的模型是 Beddoes 模型的发展，已经被几种风力发电机的失速调节的测量 得以验证。此模型可利用以下在[2.8]中描述的模型元素来计算非稳定升力系数。 ● 附加气流的模拟的阶跃响应功能 ● 单独叶片后缘和涡流升力的模拟的时间滞后基尔霍夫公式 已经发现单独机翼前缘的模型应用在水平轴风力发电机上并不合适，水平轴风力发电机 的机翼特性由逐次叶片后缘失速支配。 在单独叶片后缘的发展的时间延迟是一个 Bladed 执行模型的用户定义参数。时间滞后
    包括对于变化冲击角的压力分布和界面层的响应的延迟。时间延迟的大小直接与升力系数的 滞后等级有关。 应用伴随升力系数的计算所确定的有效的不稳定冲击角的半稳定输入数据来计算阻力 矩和俯仰力矩。 3 结构动力学 工业发展早期，风力发电机的设计采用的是受结构动力学影响的半静态空气动力学计 算，这种影响或者被彻底忽略或者通过估计动态放大因数的使用而诱导出。 从 1970 年以后 科研人员开始考虑动态分析的更可靠的方法，因此得到两个基本方法：有限元表示和模态分 析。 标准的惯例应用，处理结构动力学问题的商业有限元分析编码在风机中还存在一定的问 题。这是因为结构的一部分的总的运动，风轮，至于另一部份则为塔架。标准有限元软件包 只用于考虑对于一个平均的不可取代的位置发生运动的结构，鉴于此对已经发展起来的风机 的有限元模型进行了特别构造来处理这个问题。 作为设计计算基础最普遍的应用的风机动态模拟形式是包括一个模态表示。这种方法借 鉴于直升机行业，其最大优势就是它提供了一个相对少自由度的风机的动力学的可靠表示。 用于表示特殊风机的动力学的模态自由度的数量及类型取自设备本身的外形及结构。 现在，在很大程度上因为拓展的计算机程序要求结合有限元模型的应用，在设计分析风 机动力学模拟的文章中艺术情形是基于自由模特模型的有限度数的使用。Bladed 中风机结 构动力学的表示是以一个模态模型为基础的。 3.1 模态分析 因为相对于塔架支撑结构的风机的叶片的旋转，描述其动力学的运动方程含有周期系 数。周期性意味着作为一个完整的结构实体一台运行的风机的模态特性的计算不可能使用商 业有限元编码提供的标准特征分析。 解决此问题的一种方法是用弗洛盖分析来确定周期系统的模态特性。 然而，由这种计 算所获得的模式非常复杂且不能直接用于强制响应分析。 取而代之的方法是以“元件模式和成”为基础的。此处风机旋转与非旋转部件的模态特 性独立计算。在强制响应分析中元件模式由风机运动等式的适当的公式表达连接起来。这一 方法已经被 Bladed 所采用。 3.1.1 风轮模式 风机风轮的锥形与螺旋形的叶片的振动是一个很复杂的现象。表示这一振动的经典方法 是依靠正交，结构的非耦合“标准”振荡模。每一个模式都是根据以下参数定义的： ● 模型频率， i ● 模型的阻尼系数， i ● 模态振型，  ri 其中写在下方的i 表示第i 个模态的特性。 模态频率和风轮的模态振型是根据以下信息计算出来的： 沿叶片的质量分布。 质量分布根据任何离散的、集中的块的数量和位置作为每一个径向位置上的局部质量密 度定义的。
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