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Wind Turbine

将动能转换为旋转运动的涡轮机。

模块类型: Engee1DMechanical.Turbomachinery.WindTurbine

wind turbine

库中的路径:

/Physical Modeling/1D Mechanical/Engines & Motors/Wind Turbine

资料描述

座 *Wind Turbine*它是一种将风的运动转化为机械旋转能的风力涡轮机。 风力涡轮机利用风能发电。 风力涡轮机的开发旨在提高单个涡轮机的效率，可靠性和经济性，而风电场的开发涉及几个涡轮机的战略布局，以优化能量收集。 该模块可用于对单个风力涡轮机和整个风电场进行建模。 可以分析风电场中的涡轮机性能、能量产生和相互作用，以及各种几何形状、配置、控制算法和涡轮机布置计划对风电场性能和能量产生的影响。

入的风速和叶片的角度被设定为输入数据，并且附加地，可以输出作用在涡轮机上的推力。 可以考虑推力和惯性的影响。 使用表格式功率和推力系数或翼型的升力和阻力系数对单元进行参数化。

功率和推力系数参数化

如果为参数 *Parameterization*值已设置 Tabulated data for power and thrust coefficients，该块使用表格数据计算风能利用率和推力的系数，



哪里

  • -叶片安装的参考角度;

  • -参考速度系数;

  • 和 -参数值 *Power coefficient table, Cp(β,λ)*及 *Thrust coefficient table, Ct(β,λ)*相应地;

  • -平滑的速度系数。

块使用以下等式作为确定速度系数的基础

哪里

  • -参数值 Turbine radius;

  • -轴与壳体之间的角速度差异;

  • -气流落在转子上的速度。 该值是输入端口*V*的标量。

该块使用以下方程来描述速度系数方程的平滑版本

哪里 -参数值 Wind velocity threshold.

该装置使用以下方程作为计算功率和推力的基础



哪里

  • -参数值 Air density;

  • -涡轮叶片扫过的圆的面积。

要建立机组参数与风电机组标称机械功率之间的关系，需要确定风电机组在峰值功率因数和标称风速下的功率。 额定功率与公式计算的机组参数相对应

哪里

  • -风能利用因子的峰值；这是参数的最大值 Power coefficient table, Cp(β,λ);

  • -转子的扫掠表面积;

  • -标称风速。 标称风速通常从 10 以前 15 在这个风速下，风力涡轮机控制器的设计可以改变它们的操作策略以保持它们的额定功率。

单位使用数值平滑方程的推力，功率和扭矩，使得







哪里 -参数值 Rotational velocity threshold. 何时 ，该单元平滑地将功率降低到零。

该块假定 . 当转子转速为零且非零值为 影响起动转矩。 起始时刻与 所以，

如果您正在模拟大风中的转子制动，您的模型可能对启动扭矩的这种行为敏感。

空气动力剖面的升阻系数参数化

如果为参数 *Parameterization*值已设置 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients，可以参数化升力和阻力的系数，以及给定叶片元件的空气动力学轮廓的几何形状。 默认值对应于参考风力涡轮机NREL5-MW[3]。 单位对待推进器作为一个坚实圆盘。 动量守恒定律在块计算诱导速度时应用于通过磁盘的空气。 . 该装置使用感应速度来确定沿叶片径向点的矢量中总流速的大小和方向，然后根据升力和阻力系数的插值表来确定升力和阻力。 这些值特定于此参数化。:

  • -根据脉冲理论计算的推力;

  • -由风力涡轮机叶片的运动产生的轴流速度;

  • -叶片位置的径向速度;

  • -叶片位置的轴向速度;

  • -根据叶片元件理论计算的推力;

  • -根据叶片元件理论计算的扭矩;

  • -螺旋桨叶片数量;

  • -彗星的无量纲位置，由参数的第一个元素设置 Nondimensional radial location vector, r;

  • -风力涡轮机的转速;

  • -风力涡轮机叶片的半径;

  • -分别为提升力和阻力的元素系数;

  • -沿叶片给定点的流动角度;

  • -轴向感应系数;

  • -感应切向系数;

  • -在叶片的每个元素平滑的速度系数。

该块使用动量理论来确定平滑的推力方程，其方式是

其中块在湍流尾流模式下使用Glauert校正时 所以，

平滑后的轴向感应系数为

块从参数内插值 *Nondimensional radial location vector, r*查找 . 块然后插值升力和阻力系数以找到 和 基于迎角和升力和阻力系数的表格值。 该装置利用叶片元件的理论来计算推力和扭矩，使



哪里



单元对叶片的每个分立元件执行这种积分。 块样本 根据参数中的值 *Number of blade elements*并计算叶片每个元件中的感应切向系数为

假设和限制

该装置仅在正角速度下产生扭矩和功率。

港口

输入

# V — 传入风速，m/s
标量,标量

Details

入口端口连接到进入的风速，以m/s为单位测量。

数据类型

漂浮64
复数支持

非也。

# β — 刀片安装角度，度
标量,标量

Details

与涡轮叶片的角度相关的入口端口，以度为单位测量。

数据类型

漂浮64
复数支持

非也。

非定向

# R — 涡轮轴
旋转力学

Details

与风力涡轮机轴连接的非定向端口。

程序使用名称

rod_flange

输出

# T — 推力，N
标量,标量

Details

与风力施加在涡轮叶片上的轴向力相关的输出端口，以N为单位。

依赖关系

要使用此端口，请选中此框 Output thrust.

数据类型

漂浮64
复数支持

非也。

参数

Wind Turbine

# Parameterization — 风力涡轮机参数化的一种变体
Tabulated data for power and thrust coefficients | Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients

Details

风力涡轮机参数化方法的选择：根据推力和功率的系数，或根据空气动力学轮廓的升力和阻力系数。

值

Tabulated data for power and thrust coefficients | Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients
默认值

Tabulated data for power and thrust coefficients
程序使用名称

parameterization
可计算

无

# Turbine radius — 叶片端半径
m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi

Details

从涡轮轮毂中心到叶片端部的距离。

计量单位

m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi
默认值

80.0 m
程序使用名称

rotor_radius
可计算

是

# Pitch angle vector, β — 叶片安装的参考角度
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon

Details

叶片安装的基准角度。 此向量的长度决定了参数中的行数 Power coefficient table, Cp(β,λ)*及 *Thrust coefficient table, Ct(β,λ).

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for power and thrust coefficients.

计量单位

rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
默认值

[0.0, 3.0, 5.0, 10.0, 20.0, 90.0] deg
程序使用名称

pitch_angle_vector
可计算

是

# Tip speed ratio vector, λ — 参考速度系数

Details

参考速度系数 . -叶片末端的速度与入流的速度之比。 此向量的长度决定了参数中的列数 Power coefficient table, Cp(β,λ)*及 *Thrust coefficient table, Ct(β,λ). 块支持负值 . 值必须严格单调递增。

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for power and thrust coefficients.

默认值

[0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0, 15.0]
程序使用名称

lambda_vector
可计算

是

# Power coefficient table, Cp(β,λ) — 风能使用系数表

Details

风能利用系数为给定的安装角度和速度系数。 每行对应于参数中向量的一个元素 Pitch angle vector, β，并且每列对应于参数中向量的一个元素 Tip speed ratio vector, λ. 该块假定 .

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for power and thrust coefficients.

默认值

[0.001 0.0161 0.1446 0.3865 0.5009 0.4404 0.2545 0.0002 -0.1384; 0.0016 0.0173 0.1079 0.2676 0.3779 0.4111 0.3838 0.3176 0.2753; 0.0027 0.0197 0.1151 0.2606 0.3469 0.3558 0.3069 0.2222 0.1718; 0.0054 0.0283 0.1315 0.2364 0.2589 0.2022 0.0929 -0.0455 -0.1204; 0.0109 0.0536 0.132 0.1256 0.012 -0.1752 -0.4017 -0.6435 -0.7655; -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01]
程序使用名称

C_P_matrix
可计算

是

# Thrust coefficient table, Ct(β,λ) — 推力系数表

Details

给定安装角度和速度系数的推力系数。 每行对应于参数中向量的一个元素 Pitch angle vector, β，并且每列对应于参数中向量的一个元素 Tip speed ratio vector, λ.

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 Parameterization*价值 Tabulated data for power and thrust coefficients 并选中该框 *Output thrust.

默认值

[0.0 0.2451 0.674 0.9616 1.0 0.9882 0.843 0.0002 -0.1341; 0.0016 0.2541 0.5942 0.8582 0.9561 0.9754 0.9599 0.9092 0.8669; 0.0027 0.2705 0.6113 0.8503 0.9339 0.9407 0.8993 0.8016 0.7239; 0.0054 0.3215 0.6475 0.8205 0.8482 0.7727 0.5565 -0.045 -0.1171; 0.2035 0.4335 0.6485 0.6348 0.2129 -0.1684 -0.3701 -0.5712 -0.6681; -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05 -0.05]
程序使用名称

C_T_matrix
可计算

是

# Number of blades — 叶片数量

Details

风力涡轮机的叶片数量。

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

3
程序使用名称

blade_count
可计算

是

# Nondimensional radial location vector, r — 径向位置

Details

定的一组叶片尺寸的径向位置。 意义 1 相当于叶片的半径。 该向量的第一个元素定义 -科梅尔。

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

[0.1, 0.17, 0.23, 0.36, 0.5, 0.63, 1.0]
程序使用名称

r_vector
可计算

是

# Blade twist vector, θ_tw(r) — 转动叶片元件
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon

Details

角落 为给定的径向位置转动叶片。 此向量的元素与参数中向量的元素一一对应相关 Nondimensional radial location vector, r.

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

计量单位

rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
默认值

[13.31, 13.31, 11.48, 9.01, 6.54, 4.19, 0.11] deg
程序使用名称

twist_vector
可计算

是

# Normalized chord length vector, c(r)/R — 叶片元件弦的长度

Details

弦的长度，归一化为半径，对于沿着叶片的给定径向位置。 此向量的元素与参数中向量的元素一一对应相关 Nondimensional radial location vector, r*和参数中的列 *Airfoil lift coefficient table, Cl(α,r)*及 *Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r).

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

[0.068, 0.074, 0.076, 0.069, 0.061, 0.053, 0.023]
程序使用名称

normalized_chord_vector
可计算

是

# Airfoil angle of attack vector, α — 迎角
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon

Details

攻角范围。 此向量的元素与参数中的行一一对应相关 Airfoil lift coefficient table, Cl(α,r)*及 *Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r).

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

计量单位

rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
默认值

[-180.0, -170.0, -160.0, -150.0, -140.0, -130.0, -120.0, -110.0, -100.0, -90.0, -80.0, -70.0, -60.0, -50.0, -40.0, -30.0, -20.0, -10.0, 0.0, 10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0, 60.0, 70.0, 80.0, 90.0, 100.0, 110.0, 120.0, 130.0, 140.0, 150.0, 160.0, 170.0, 180.0] deg
程序使用名称

alpha_vector
可计算

是

# Airfoil lift coefficient table, Cl(α,r) — 空气动力剖面的提升力系数

Details

针对给定迎角和沿叶片径向位置的轮廓的提升力的系数。 该矩阵的行与参数一一对应 Airfoil angle of attack vector, α. 该矩阵的列与参数一一对应 Nondimensional radial location vector, r.

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

[0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0; 0.0 0.397 0.547 0.547 0.735 0.788 0.749; 0.0 0.642 0.685 0.685 0.695 0.67 0.659; 0.0 0.757 0.816 0.816 0.828 0.797 0.783; 0.0 0.762 0.832 0.832 0.846 0.813 0.798; 0.0 0.68 0.756 0.756 0.771 0.739 0.724; 0.0 0.532 0.609 0.609 0.624 0.596 0.581; 0.0 0.337 0.411 0.411 0.426 0.403 0.39; 0.0 0.114 0.182 0.182 0.195 0.179 0.169; 0.0 -0.12 -0.061 -0.061 -0.05 -0.06 -0.067; 0.0 -0.349 -0.302 -0.302 -0.294 -0.295 -0.299; 0.0 -0.557 -0.523 -0.523 -0.518 -0.512 -0.512; 0.0 -0.727 -0.708 -0.708 -0.706 -0.693 -0.689; 0.0 -0.842 -0.838 -0.838 -0.839 -0.82 -0.814; 0.0 -0.886 -0.895 -0.895 -0.898 -0.875 -0.866; 0.0 -0.839 -0.858 -0.858 -0.862 -0.838 -0.829; 0.0 -0.685 -1.013 -1.013 -0.815 -0.869 -0.958; 0.0 -0.311 -0.8496 -0.8496 -0.8284 -0.8284 -0.711; 0.0 0.137 0.288 0.288 0.444 0.521 0.442; 0.0 1.368 1.458 1.458 1.442 1.358 1.382; 0.0 1.7825 1.398 1.398 1.354 1.311 1.428; 0.0 1.904 1.265 1.265 1.076 0.962 0.926; 0.0 1.903 1.258 1.258 1.064 0.95 0.804; 0.0 1.69 1.146 1.146 0.98 0.884 0.763; 0.0 1.323 0.932 0.932 0.81 0.74 0.656; 0.0 0.88 0.657 0.657 0.582 0.54 0.495; 0.0 0.449 0.362 0.362 0.326 0.304 0.291; 0.0 0.124 0.092 0.092 0.072 0.053 0.053; 0.0 -0.118 -0.15 -0.15 -0.17 -0.198 -0.199; 0.0 -0.348 -0.379 -0.379 -0.399 -0.434 -0.436; 0.0 -0.549 -0.578 -0.578 -0.596 -0.637 -0.64; 0.0 -0.702 -0.727 -0.727 -0.743 -0.787 -0.79; 0.0 -0.787 -0.807 -0.807 -0.821 -0.864 -0.868; 0.0 -0.782 -0.797 -0.797 -0.806 -0.847 -0.85; 0.0 -0.664 -0.673 -0.673 -0.679 -0.711 -0.714; 0.0 -0.41 -0.547 -0.547 -0.735 -0.788 -0.749; 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0]
程序使用名称

C_L_matrix
可计算

是

# Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r) — 空气动力剖面的阻力系数

Details

给定迎角和沿叶片径向位置的翼型的阻力系数。 该矩阵的行与参数一一对应 Airfoil angle of attack vector, α. 该矩阵的列与参数一一对应 Nondimensional radial location vector, r.

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

[0.35 0.0602 0.0267 0.0267 0.0202 0.0185 0.0198; 0.35 0.1107 0.0968 0.0968 0.0943 0.0945 0.0955; 0.35 0.3045 0.2876 0.2876 0.2848 0.2809 0.2807; 0.35 0.5355 0.5232 0.5232 0.5215 0.5112 0.5086; 0.35 0.7685 0.7656 0.7656 0.766 0.7485 0.7427; 0.35 0.9788 0.9882 0.9882 0.9911 0.9665 0.9574; 0.35 1.1499 1.173 1.173 1.1787 1.1476 1.1355; 0.35 1.2716 1.3084 1.3084 1.3168 1.2805 1.2656; 0.35 1.3378 1.3875 1.3875 1.3984 1.3582 1.341; 0.35 1.346 1.407 1.407 1.4201 1.3774 1.3587; 0.35 1.2964 1.3664 1.3664 1.3811 1.3376 1.3181; 0.35 1.1918 1.2676 1.2676 1.2833 1.2409 1.2212; 0.35 1.0376 1.1156 1.1156 1.1315 1.0919 1.0731; 0.35 0.8429 0.9187 0.9187 0.9341 0.899 0.882; 0.35 0.6215 0.6904 0.6904 0.7042 0.6754 0.661; 0.35 0.3932 0.4503 0.4503 0.4616 0.4405 0.4295; 0.35 0.1861 0.2388 0.2388 0.2237 0.1983 0.1785; 0.35 0.0931 0.0718 0.0718 0.0287 0.0287 0.0111; 0.35 0.0113 0.0087 0.0087 0.0065 0.0057 0.0052; 0.35 0.0393 0.0192 0.0192 0.0262 0.0255 0.015; 0.35 0.3998 0.2689 0.2689 0.228 0.1987 0.2379; 0.35 0.8441 0.5843 0.5843 0.5149 0.4813 0.4294; 0.35 1.2873 0.897 0.897 0.7901 0.7396 0.6452; 0.35 1.6401 1.1686 1.1686 1.0378 0.9781 0.8664; 0.35 1.836 1.3647 1.3647 1.2333 1.1796 1.0693; 0.35 1.8347 1.4621 1.4621 1.3587 1.3297 1.2438; 0.35 1.6334 1.4544 1.4544 1.4063 1.4202 1.3809; 0.35 1.3879 1.3938 1.3938 1.3985 1.4512 1.4565; 0.35 1.3795 1.3798 1.3798 1.381 1.4294 1.4345; 0.35 1.3114 1.3063 1.3063 1.3041 1.3464 1.3512; 0.35 1.1864 1.1763 1.1763 1.1709 1.2057 1.2099; 0.35 1.0102 0.9962 0.9962 0.9883 1.0144 1.0179; 0.35 0.7935 0.7771 0.7771 0.7676 0.7845 0.7871; 0.35 0.5532 0.5364 0.5364 0.5264 0.5346 0.5363; 0.35 0.3147 0.3 0.3 0.2912 0.2922 0.2931; 0.35 0.1144 0.1051 0.1051 0.0995 0.0969 0.0971; 0.35 0.0602 0.0267 0.0267 0.0202 0.0185 0.0198]
程序使用名称

C_D_matrix
可计算

是

# Number of blade elements — 叶片元件数量

Details

每个叶片的叶片元件的数量。

依赖关系

若要使用此参数，请为参数设置 *Parameterization*价值 Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.

默认值

20
程序使用名称

blade_element_count
可计算

是

环境与动力学

# Output thrust — 涡轮发动机推力模拟选项

Details

通过选中此框，您可以模拟作用在涡轮机上的推力。 选中此框将激活*T*端口。

默认值

false (关掉)
程序使用名称

enable_thrust_output
可计算

无

# Model inertia — 惯性建模选项

Details

设置此标志允许您模拟由转子运动引起的惯性。 块在*R*端口处施加惯性。

默认值

false (关掉)
程序使用名称

enable_inertia
可计算

无

# Air density — 空气密度
kg/m^3 | g/m^3 | g/cm^3 | g/mm^3 | lbm/ft^3 | lbm/gal | lbm/in^3

Details

恒定的空气密度。

计量单位

kg/m^3 | g/m^3 | g/cm^3 | g/mm^3 | lbm/ft^3 | lbm/gal | lbm/in^3
默认值

1.225 kg/m^3
程序使用名称

rho_air
可计算

是

# Rotor inertia — 风力涡轮机转子的惯性
kg*m^2 | g*m^2 | kg*cm^2 | g*cm^2 | lbm*in^2 | lbm*ft^2 | slug*in^2 | slug*ft^2

Details

风力涡轮机转子的惯性。

依赖关系

若要使用此选项，请选中此框 Model inertia.

计量单位

kg*m^2 | g*m^2 | kg*cm^2 | g*cm^2 | lbm*in^2 | lbm*ft^2 | slug*in^2 | slug*ft^2
默认值

3.5e7 kg*m^2
程序使用名称

I_rotor
可计算

是

# Initial rotor rotational velocity — 转子的初始角速度
rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps

Details

口中的初始旋转速度为*R*。

依赖关系

若要使用此选项，请选中此框 Model inertia.

计量单位

rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps
默认值

0.0 rad/s
程序使用名称

w_start
可计算

是

高级

# Wind velocity threshold — 用于平滑风速的阈值
m/s | mm/s | cm/s | km/s | m/hr | km/hr | in/s | ft/s | mi/s | ft/min | mi/hr | kn

Details

块施加平滑的风速。

计量单位

m/s | mm/s | cm/s | km/s | m/hr | km/hr | in/s | ft/s | mi/s | ft/min | mi/hr | kn
默认值

0.01 m/s
程序使用名称

v_threshold
可计算

是

# Rotational velocity threshold — 用于平滑角速度的阈值
rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps

Details

块施加平滑的旋转速度。 当转速接近时，该参数使扭矩和功率平滑 0 或者穿过它。 随着该参数值的增加，块在更宽的速度范围内应用更多平滑。

计量单位

rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps
默认值

0.01 rad/s
程序使用名称

w_threshold
可计算

是

文学作品

  1. Buhl Jr.，Marshall L."湍流风车状态推力系数与诱导因子之间的新经验关系"。 国家可再生能源实验室（Nrel），Golden，CO（美国）_，No。 NREL/TP-500-36834（2005）。

  2. Jain，Palash，Jayant Sirohi和Christopher Cameron。 "被动部署自动减速机的设计、分析和测试"。 _航空杂志59号，第1号（2022年1月）：272-277。 https://doi.org/10.2514/1.C036509.

  3. Jonkman，Jason。 "海上系统开发5兆瓦参考风力涡轮机的定义"。 国家可再生能源实验室（Nrel），Golden，CO（美国）_，No。 NREL/TP-500-38060（2009）。

  4. Manwell，J.F.，J.G.McGowan和A.L.Rogers。 风能讲解：理论、设计与应用。 第一版。 威利 2009. https://doi.org/10.1002/9781119994367.