叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。
风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比;叶片越长,或者叶片转速越快,同风速下的叶尖速比就越大。
定义
叶尖速比是叶片叶尖线速度与风速的比值TSR,它是表示风力机性能的另一重要参数。
式中,ω为风力机旋转角速度,rad/s;n为风力机旋转速度, r/min; R为风力机风轮半径,m。叶尖速比表征了风力机在一定风速下运转速度的高低, 故亦称高速性系数。
不同结构型式的风力机的功率系数CP、扭矩系数CT,与叶尖速比TSR有一定的关系,如下图1所示。可以看出,水平轴螺旋桨式及立轴达里厄型风力机的功率系数大,扭矩系数小,运转速度高,适用于风力发电;而水平轴多叶片式风力机功率系数小,扭矩系数大,运转速度低,不适合于风力发电,但适合于风力提水。
分类
根据叶尖速比的不同,我们可以把风电机分成两类:慢速比风电机和快速比风电机:
慢速比风电机
慢速比风电机的速度比最大为2.5。所有以阻力原理作用的风电机的叶尖速比都小于1,属于慢速比风电机。以浮力原理作用的风电机,如果其叶尖速比在1到2.5之间,也被称为慢速比风电机。Westernmills和某些风力泵的叶尖速比大概是1,而Bock
风车以及荷兰风车的叶尖速比大概是2。
快速比风电机
快速比风电机是指按照浮力原理作用的风电机,并且其叶尖速比在2.5到15之间。几乎所有的现代风电机(叶片数一到三)都属于此类。
叶尖速比对风电机的建造结构和形状有很大的影响,比如:
叶片转速:如果叶片长度一定,那么叶尖速比越大,叶片的转速也就越快。只有一个叶片的风电机,其叶尖速比很高,旋转速度也要比三叶片的风电机快的多。需要注意的是,风力泵的叶尖速比虽然属于慢
速比机械,但旋转速度一般都很快。原因是其转动直径很小,最终圆周速度相对低很多,所以属于慢速比机械。
叶片数:Westernmills的叶尖速比比较低(大约为1),所以需要更多的叶片来遮挡风,一般有20到30个叶片;荷兰风车的速度比大约为2,一般有4个叶片。现代三叶片风电机的叶尖速比大约为6,而一个叶片的风电机,其叶尖速比大概为12。
叶片切面: 快速比风机的叶片一般都设计的细长而薄,其原因就是叶片切割风的时候,与风的相对速度十分高。
风机的转化效率系数: 快速比风机由于产生的
涡流损失要比慢速比风机低很多,所以其作用系数要明显比慢速比的风机高。一般慢速比风机的转化效率系数cP在0.3到0.35之间,而快速比的风机能够达到0.45到0.55。
风能利用系数Cp为
风力机将风能转换为机械能的效率,它与风速,叶片转速,叶片直径和桨叶节距角均有关系,是叶尖速比和桨叶节距角的函数。
选择
对叶片弦长的影响
根据贝兹提出的风力机致动盘理论,为获得最大的风能利用系数,应使轴向诱导因子a=1/3,即进入风轮的风速 V1=2/3Vo然而只有对叶片气动外形进行专门的优化设计,才能满足上述条件,捕获最大风能 。根据动量-叶素理论,可 以得到不同设计叶尖速比时叶片的弦长分布。
在同样截面位置的弦长与叶尖速比的平方成反比,叶尖速比越大,弦长越小。由图2可以清楚地看出不同设计叶尖速比的弦长分布由叶素理论知道,作用 于叶素的升力和阻力与弦长成正比。
设计叶尖速比减小,弦长增大,叶片的轴向推力等载荷增大,这就需要通过增加铺层来增加叶片的刚度,保证叶片不会因为轴向推力的增大而与塔架发生碰撞。另一方面,弦长增大将导致叶片表面积增大,从而增加铺层材料。这两方面都将导致叶片成本的增 加。同时,弦长增大也导致整机载荷增大,需要增加整机塔架、轮毂等部件的强度才能满足载荷增大的要求,从 而增加整机成本。所以,为减少叶片和整机的载荷成本,需要增大叶片的设计叶尖速比。
对叶片气动性能的影响
设计叶尖速比对叶片气动性能的影响较为复杂。一方面影响弦长分布和扭角分布,从而影响叶片的气动性能。另一方面,设计叶尖速比增大,叶片的尾流损失,叶尖损失将增大,而翼型损失将减小。
选择几种设计叶尖速比,得到几种弦长和扭角分布不同的叶片,然后对叶片气动性能进行计算。从图3中可以看出,设计叶尖速比过大(TSR=13)或过小(TSR=5)时,叶片最大功率系数较低,气动性能都较差;在8-10左右时,最大功率系数都在0.495以上,气动性能都较好,该范围内,叶尖速比的改变对最大功率系数影响较小。对于不同类型的片,有不同的最佳设计叶尖速比范围。
对机组运行曲线的影响
叶尖速比不但影响叶片自身的特性,还会影响
风力发电机组的运行曲线,从而影响发电量。现代兆瓦级水平轴风力发电机组,基本都是采用变速变桨方案。在额定风速以下的大部分范围,通过控制电机的扭矩和转速关系,调节风轮转速,使风轮转速与风速成正比,使机组运行在设计叶尖速比下,从而最大程度地捕获风能。
从图4和图5可以看出,设计叶尖速比从8增加到10,V2从9.5 m/s减小到7.7 m/s。一方面,。7-9.5 m/s风速范围内功率下降。另一方面,从7.7 m/s开始,叶尖速比和Cp就已开始下降,达到原额定风速(10 m/s)时,Cp值降到了0.42,不能达到额定功率,当风速增大到11m/s时才能达到额定功率。设计叶尖速比增大后,在7.7-11m/s功率明显降低,从而发电量降低。
所以,为增大机组发电量,需要减小叶片设计叶尖速比。