風(fēng)力機葉片表面壓力的計算與外場測試分析

李仁年，袁尚科，2，魏列江，李德順，李銀然

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 建筑工程系，蘭州 730050）

風(fēng)力機葉片表面壓力的計算與外場測試分析

李仁年1，袁尚科1，2，魏列江1，李德順1，李銀然1

（1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 建筑工程系，蘭州 730050）

研究在外場工況下，對風(fēng)力機葉片表面壓力的測試方法，并將測試結(jié)果與CFD計算結(jié)果進行比較。為了獲取葉片在外場非穩(wěn)態(tài)工況下的壓力信息，沿葉片展向選取7個典型段面布置帶式壓力傳感器。在數(shù)值計算中，通過數(shù)碼掃描得到試驗翼型的幾何形狀并建立計算模型，用非壓縮的N－S方程和SSTk－ω湍流模型耦合，分別對7個翼型的氣動性能進行計算。通過對試驗和計算結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，因為三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的存在，基于動量－葉素理論的二維翼型計算常常低估了實際風(fēng)輪動力的產(chǎn)生，旋轉(zhuǎn)葉輪表面壓力分布和二維翼型計算結(jié)果明顯不同。

風(fēng)力機；翼型；外場試驗；數(shù)值計算；壓力分布

0 引 言

葉輪是風(fēng)力發(fā)電機中最重要、受力最復(fù)雜的部件之一。風(fēng)力發(fā)電機組在多變的自然環(huán)境中運行，受力情況非常復(fù)雜。而隨著風(fēng)力發(fā)電機組的大型化發(fā)展趨勢，風(fēng)力發(fā)電機組的塔架更高、葉片更長，在多變的風(fēng)力影響下，細長結(jié)構(gòu)葉片的彈性變形將更加顯著。因此，風(fēng)力機葉片部件的靜力學(xué)問題和動力學(xué)問題將更加突出［1］。風(fēng)力發(fā)電機是通過葉片捕獲風(fēng)能，并將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為機械能的動力裝置，所以葉片的氣動性能將直接影響風(fēng)力機的性能指標，也是當(dāng)前國內(nèi)外風(fēng)力機研究的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。其中，風(fēng)力機葉片表面壓力分布特征是表征風(fēng)力機氣動性能研究的重要內(nèi)容，通過研究葉片表面的壓力分布情況，可以更清楚地認識其規(guī)律和影響因素，并通過壓力分布數(shù)據(jù)計算葉片徑向載荷分布、風(fēng)輪軸向推力系數(shù)和功率系數(shù)等。因此，研究多變工況下風(fēng)力機葉片的表面壓力很重要。

當(dāng)前，國內(nèi)外對風(fēng)力機葉片表面的受力分析主要通過理論計算和風(fēng)洞試驗進行。其中，風(fēng)力機葉片氣動性能的預(yù)測計算主要是應(yīng)用空氣動力學(xué)理論，借助計算流體動力學(xué)（CFD）方法，建立風(fēng)力機的空氣動力學(xué)模型，應(yīng)用葉素－動量理論、渦流理論等進行計算。其中，葉素－動量理論假設(shè)風(fēng)力機葉片周邊的流動是二維、穩(wěn)態(tài)的，其形式比較簡單，計算量小，成本低，計算結(jié)果相對較準確。但旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪葉片的周邊流場是十分復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)流動，存在較強烈的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和動態(tài)失速等現(xiàn)象［4－5］。很顯然，通過數(shù)值計算對上述問題進行研究，其結(jié)果和多變的實際工況有較大出入。風(fēng)洞試驗一直被認為是進行風(fēng)力機性能測試最可靠的方式之一，但實際實驗過程往往采用縮尺模型，和全尺寸風(fēng)力機相比，難以滿足全部準則數(shù)相等的要求，且存在洞壁和支架干擾等因素，需考慮數(shù)據(jù)修正。為此，可在外場試驗（Field experiments，F(xiàn)－Exp）中，通過壓力傳感器來測量旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪葉片表面上的壓力分布信息，進而計算出壓力系數(shù)、推力系數(shù)和功率系數(shù)等重要參數(shù)，從而較準確地估計實際工況下風(fēng)力機的氣動性能。理想情況下其試驗結(jié)果具有高度的可靠性和較好的實踐指導(dǎo)意義。特別是隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的快速發(fā)展，很多新技術(shù)、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，為風(fēng)力機的性能測試提供了可靠保障。因此，在多變的外場工況下，對風(fēng)力機葉片表面壓力進行外場測試研究是必要的，也是可行的。

以蘭州理工大學(xué)國家973項目試驗機組為研究對象，通過在不同工況下的外場試驗測試，得到葉片表面不同截面處的壓力分布特征，并對機組葉片進行數(shù)碼掃描，建立對應(yīng)截面的數(shù)值計算模型進行理論計算，并將計算結(jié)果和和外場試驗結(jié)果進行分析比較，研究在三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下風(fēng)力機葉片表面的壓力分布特征及其影響因素，為大型風(fēng)力機氣動性能的研究提供可靠的參考依據(jù)。

1 外場試驗概述

1.1 外場試驗工況

項目試驗機組位于甘肅省景泰縣陳莊，東經(jīng)103°57′，北緯37°05′，場址區(qū)域海拔高度1730m，場地開闊，地勢平坦。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶纸y(tǒng)計，10m和40m高空12個月平均風(fēng)速分別為5.4m／s和7.0m／s，有效風(fēng)速（4.0～25.0m／s）達到7160h，平均風(fēng)功率密度為354W／m2，屬IECⅢ類風(fēng)場，風(fēng)功率密度等級為3級，屬風(fēng)能資源可利用區(qū)。

1.2 試驗風(fēng)力機組概況

試驗對象為上風(fēng)向兩葉片試驗機組，風(fēng)輪直徑為14.8m，輪轂中心高16.11m，葉根初始安裝角64.574°，功率33kW，功率因數(shù)0.88；機組額定轉(zhuǎn)速85r／min，額定風(fēng)速11m／s，切入風(fēng)速4m／s，切出風(fēng)速23m／s。

為獲取氣動試驗時所需的詳細氣象資料，按照GB／T 18709－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》的相關(guān)規(guī)定，在試驗機組主導(dǎo)風(fēng)向50m處設(shè)置一座30m高的拉線式測風(fēng)塔，在測風(fēng)塔的10、20、30m高處分別裝設(shè)測風(fēng)設(shè)備并與葉片表面壓力傳感器同步采集試驗所需的來流風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度、濕度等氣象參數(shù)，采集的參數(shù)以有線方式遠程傳輸至工控機進行不間斷記錄。

1.3 試驗葉片幾何特征

為使外場試驗結(jié)果和二維翼型的數(shù)值計算作對比，我們通過數(shù)碼掃描技術(shù)獲取了葉片表面的幾何坐標，并選取7個典型截面布置帶式壓力傳感器以獲取葉片表面的壓力信號。其中，各典型截面的特征數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各測壓截面幾何特征（停機狀態(tài)）Table 1 Feature of every pressure test plane

1.4 試驗的主要設(shè)備及測試過程

為準確測量風(fēng)輪在不同工況下的表面壓力，本試驗選取其中一葉片為測試對象，沿葉片展向選取7個典型截面，分別布以智能型帶式壓力傳感器，并對另一葉片對稱位置進行配重，以保持風(fēng)力機葉輪旋轉(zhuǎn)過程的平穩(wěn)性。其中，帶式壓力傳感器屬于新型感知探測型智能傳感器，具有一次獲取數(shù)據(jù)量大，操作簡單，安全可靠等特點［5－7］。

每條帶式壓力傳感器可同時對8個節(jié)點的壓力進行測試，最大波特率921.6kB／s，7個測試截面共布置191個測點，數(shù)據(jù)通過RS－485總線傳輸。其中穩(wěn)壓電源為數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，191個測點模擬信號的輸出分別與采集和傳輸模塊的主處理器的8個引腳相連，當(dāng)主處理器收到采集命令后對收到的壓力信號進行采集編碼，然后按照一定格式通過RS－485收發(fā)器發(fā)送給主控室的PC機。為保證測試結(jié)果的準確性，試驗采用高精度傳感器和高可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過同步觸發(fā)、快速采集、精確計時和定時消除累計誤差的方法來嚴格保證各參數(shù)測試的同時性。試驗中，為盡可能減少傳感器對葉片表面的影響，將帶式微型數(shù)字壓力傳感器高密度嵌入3mm厚的柔性蒙皮內(nèi)，同時，將所有傳感器通過嵌入蒙皮內(nèi)的總線互連，粘接于風(fēng)力機葉片的表面，隨葉片一起在野外環(huán)境中工作。

試驗機組及其數(shù)碼掃描模型如圖1所示。

圖1 試驗機組及其掃描模型圖Fig.1 Test blade and scanned model picture

1.5 試驗測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國際能源署（IEA）對風(fēng)力機外場測試的方法與步驟要求，本試驗經(jīng)過長時間試驗校準后于當(dāng)?shù)貢r間2010年7月27日下午進行，天氣多云，風(fēng)速風(fēng)向相對穩(wěn)定，適合于進行外場試驗。20m高空平均風(fēng)速11.47m／s，風(fēng)向南偏東4.6°，氣壓82.194kPa，相對濕度59.66%，氣溫24.4℃，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速55.67r／min，空氣密度為0.94kg／m3，凈功率9kW。以上數(shù)據(jù)均為測試時間內(nèi)連續(xù)采集10次的平均值。

葉片表面壓力數(shù)據(jù)主要通過均布在7個翼型截面的191個壓力測點進行采集，傳感器測量精度0.3%，測量范圍可定制。通過自編程序?qū)崿F(xiàn)測風(fēng)塔氣象數(shù)據(jù)和葉片表面壓力數(shù)據(jù)的同步采集處理。設(shè)定每次連續(xù)采集時間為6s，每點共采集壓力數(shù)據(jù)3500個，期間共采集二進制壓力數(shù)據(jù)量約668500個，經(jīng)解碼后取其平均值，沿弦長方向繪制各測點的壓力分布。

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型的建立與網(wǎng)格劃分

為將計算結(jié)果和外場試驗結(jié)果對應(yīng)比較，根據(jù)葉片數(shù)碼掃描所得的7個典型截面對應(yīng)的翼型坐標，通過通用軟件Gambit將上述翼型坐標用光滑曲線連線后得到翼型外形，在翼型周邊建立長度為45倍弦長，寬度為40倍弦長的二維計算區(qū)域。因網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響數(shù)值計算的結(jié)果，為了得到較理想的網(wǎng)格質(zhì)量，同時降低對計算機性能的要求，提高計算速度和計算精度，本文采用C型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散。在翼型上下表面分別布置95個網(wǎng)格節(jié)點，在遠離翼型的半圓形區(qū)域的邊界線上分布與翼型表面相同數(shù)量的節(jié)點，在翼型后緣向外的邊界線上分布90個節(jié)點，通過無限插值法將翼型表面節(jié)點和邊界線網(wǎng)格節(jié)點生成計算域網(wǎng)格。由于翼型附近的流場參數(shù)變化梯度比遠場大得多，且翼型前后緣的流動對翼型擾流數(shù)值模擬影響大，因此對翼型附近及前后緣處進行了網(wǎng)格局部加密，以提高其計算精度。其中，第3截面翼型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，其它截面計算模型的建立與此相同。

圖2 第3截面翼型計算網(wǎng)格放大圖Fig.2 Numerical mesh scheme of No.3section airfoil

2.2 流動控制方程

水平軸風(fēng)力機翼型繞流問題，屬于低速流動問題，所以模擬計算時可以把流體看成是不可壓縮的牛頓型流體的湍流運動，同時不需考慮熱傳遞的影響。翼型在大迎角繞流時會出現(xiàn)翼型分離流動，而分離流動的本質(zhì)是因流體的粘性造成的，所以在模擬計算時需要考慮流體的粘性［8－9］。因此，本文求解的方程為不可壓縮的粘性N－S方程，對其進行簡化后，得到適合于邊界層內(nèi)流動的基本微分方程式如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中，ui表示xi方向的介質(zhì)速度，ρ為介質(zhì)密度，μ為流體的運動粘性系數(shù)，fi為質(zhì)量力強度。

2.3 邊界條件

設(shè)定進口邊界條件為速度進口，來流湍流度為1%，湍流耗散長度為0.01m；出口為充分發(fā)展的壓力出口條件，表壓力給定為0，湍流度、耗散長度與進口相同；翼型表面采用壁面無滑移邊界條件。

流場計算中不考慮風(fēng)沙、水滴等多相流的影響，認為僅存在空氣單相流動。根據(jù)測風(fēng)塔氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的相關(guān)參數(shù)，計算得試驗時當(dāng)?shù)氐目諝饷芏葹棣褳?.94kg／m3，對應(yīng)的空氣運動粘性系數(shù)為μ＝1.46×10－5m2／s。平均風(fēng)速11.47m／s，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速取55.87r／min。

因外場試驗時風(fēng)力機為非滿槳旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力機葉根槳距角16.6°，若不考慮葉片表面的誘導(dǎo)速度，則各試驗截面的迎角α和旋轉(zhuǎn)線速度V如表2所示。

表2 各測壓截面迎角和旋轉(zhuǎn)線速度Table 2 Attack angle and rotation speed of every section plane

2.4 湍流模型的選擇

在數(shù)值計算時，湍流模型的選取很重要，選擇不適將對計算精度產(chǎn)生較大影響［10］。目前常用的湍流模型有一方程的S－A模型、二方程k－ε模型和二方程k－ω模型3大類型，在風(fēng)力機數(shù)值模擬中常用一方程S－A模型和二方程SST k－ω（剪應(yīng)力輸運）模型。其中，S－A模型是通過求解輸運方程得到湍流運動粘度的單方程湍流模型，專為航空航天領(lǐng)域研究壁面邊界流動而設(shè)計。在S－A模型中，將湍流粘性系數(shù)與表征湍流流動特性的脈動動能相聯(lián)系，著力于求解邊界層受粘性影響的區(qū)域。因此，應(yīng)用S－A模型對于附著流和小分離流動的計算結(jié)果較為精確；對于SST k－ω模型，普遍認為其模擬繞鈍體流比較好，特別是對于動態(tài)失速的翼型繞流，SSTk－ω湍流模式較為有效，計算的氣動力系數(shù)曲線變化趨勢與實驗結(jié)果符合得較好［11］。因此，本文所有翼型氣動性能的計算均采用SSTk－ω湍流模型的SAMPLE算法進行。

3 葉片氣動性能計算與外場試驗結(jié)果分析

為使計算結(jié)果具有對比性，數(shù)值計算的相關(guān)參數(shù)采用測風(fēng)塔20m高處的測試數(shù)據(jù)，并保證與葉片壓力信號同步采集。

根據(jù)上述條件，通過商業(yè)軟件FLUENT分別對葉片表面1#～7#帶式壓力傳感器對應(yīng)翼型的二維切片進行定常數(shù)值計算，并將計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行比較，如圖3所示。

從圖3可以看出，沿葉片展向，各測點的試驗值和計算值之間存在一定差異性，而且，越靠近葉根，二者的差異性越大。這一特征和文獻［12］中風(fēng)洞試驗的結(jié)論較接近。對試驗翼型的流場分析可知，1#～5#翼型表面空氣能平滑地繞翼型流過，但靠近葉根的6#、7#截面翼型表面已發(fā)生流體的分離和尾渦的產(chǎn)生。究其原因，一是因為本試驗時的風(fēng)速是一個時間段的平均風(fēng)速，所采集的壓力數(shù)據(jù)也是平均值。這和計算時所采用的參數(shù)可能不完全吻合，從而導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)；二是在試驗工況下，輪轂中心的氣流分布可能對葉根翼型流場產(chǎn)生一定影響；三是因為測試時，風(fēng)力機處于輕度偏航，葉根翼型的迎角較大，在試驗工況下處于動態(tài)失速狀態(tài)，翼型表面流體有渦的交替出現(xiàn)和脫落，導(dǎo)致葉片表面壓力出現(xiàn)較大波動。

其中，6#、7#截面翼型流場分布如圖4所示。

圖3 各翼型表面壓力的試驗值與計算值分布圖Fig.3 Test and calculation surface pressure value distributions on 7sections

圖4 6#、7#截面翼型流場分布Fig.4 Flow fields of 6#and 7#sections

另外，由于旋轉(zhuǎn)葉片的附面層內(nèi)氣流受離心力作用，產(chǎn)生的徑向流動使附面層厚度變薄，而哥氏力在附面層內(nèi)引起附加的弦向壓降使分離推遲到一個較大的迎角，而且這種三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)現(xiàn)象越靠近葉片根部越明顯［12－13］。說明在旋轉(zhuǎn)的葉片表面，離心力和科里奧利力的綜合作用改變了翼型失速以后的壓力分布［14］。美國可再生能源國家實驗室（NREL）的第6期非定常氣動實驗（Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI）及其盲比（B1ind Comparison）［11］結(jié)果也表明，旋轉(zhuǎn)葉片翼型上的壓力分布大大不同于二維翼型時的情況。其中，圖3中（f）、（g）也證明，在外場旋轉(zhuǎn)工況下，風(fēng)力機葉片根部的壓力分布與數(shù)值計算存在較大差異性。顯然，要準確計算風(fēng)力機的氣動性能和葉片的氣動載荷分布，必須考慮非定常工況下的失速特性和三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

通過對在外場環(huán)境下風(fēng)力機葉片表面壓力的測試與數(shù)值計算結(jié)果的對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）基于傳統(tǒng)的二維葉素理論以及二維靜止翼型風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)盡管是目前廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機葉片設(shè)計及性能預(yù)估的主要方法，但隨著風(fēng)力機單機容量的增大，葉輪半徑增大，很多基于葉素－動量理論的軟件已不能準確地預(yù)測風(fēng)力機的氣動性能，特別是實際工作中的風(fēng)輪葉片是三維及旋轉(zhuǎn)的，采用該方法常常低估了實際風(fēng)輪動力的產(chǎn)生；

（2）外場試驗表明，葉片表面壓力分布特征沿展向出現(xiàn)較大的差異性，主要原因是在外場多變環(huán)境下，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機葉片存在較強的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，且三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)越靠近葉片根部越明顯；

（3）翼型動態(tài)失速后，尾渦的形成和脫落將對葉片表面壓力分布產(chǎn)生較大影響，產(chǎn)生劇烈的壓力波動，致使葉片表面壓力與計算值出現(xiàn)較大差異。

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李仁年（1963－），男，甘肅民勤人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為流體機械原理與風(fēng)力機空氣動力學(xué)。通訊地址：甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 （730050），聯(lián) 系 電 話：0931－2756250，E－mail：lirn＠lut.cn

Measurement and calculation of blade surface pressure for a wind turbine in field

LI Ren－nian1，YUAN Shang－ke1，2，WEI Lie－jiang1，LI De－shun1，LI Yin－ran1
（1.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Architectural Engineering Department，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou 730050，China）

A measurement method of the blade surface pressures for a wind turbine in field is given and the measured data are compared with the CFD calculation results in this paper.For the field experiment，the belt sensors were mounted on seven sections along the blade to collect the pressure signals in unsteady environment.For the calculation，the incompressible N－S equations coupled with the SSTk－ωturbulence model are solved to obtain the aerodynamic performance of the tested blade airfoils，whose geometric shapes have been determined from digital scanning.From the comparison between the experiment and calculation，it is demonstrated that the pressure distribution on the rotational blade appears obviously different from the two－dimensional airfoil data due to the three－dimensional rotational effect and validated that the wind turbine power output could be underestimated if the two－dimensional airfoil aerodynamic data based on the blade momentum theory are used.

wind turbine；airfoil；field experiment；numerical calculation；pressure distribution

TK83

A

1672－9897（2012）05－0052－05

2011－09－21；

2012－06－11

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2007CB714602）