GH-Bladed 理论手册（中文版）

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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

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，在风轮圆盘的风速与上风向的风速有

下面的联系：

在风轮圆盘处减小的风速明显的由的大小决定，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可由

下式给出：

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：

无量纲的功率和推力因数，和分别表示如下：

功率因数的最大值是 16/27，此时等于 1/3，这是由 Betz 限制得到的。

推力因数的最大值是 1，此时是 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，在半径为的风轮的圆盘上

的切线速率是，远离下风向的切线速率是 2 。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：

必须由经验表达式取代：

Bladed 叶素理论的实现是基于经验模型的值大于 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。

与所展现的等式只能给出迭代格式。其过程包括给出和的初始估计值，计算作

为和函数的参数和，然后用上面的等式来修正和的值。一直持续这个

过程直到和达到要求的值。在 Bladed 中假设下面的情况下才会得到解：

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，此处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，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。

系数可以表示如下：

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，在叶片任何部位的有效高度降低系数为：

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