3MW風力機葉片的氣動特性

單麗君，劉遠

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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3MW風力機葉片的氣動特性

單麗君，劉遠

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

建立3MW風力發電機葉片的三維內、外流場模型，運用流體仿真軟件Fluent仿真分析在隨機風速下，葉片周圍氣動流場狀態.對葉片進行優化設計，通過對比分析葉片截面和葉片表面的流體流態，發現在隨機風速作用下優化后的葉片的失速程度有明顯的降低，表明優化后的葉片氣動性能顯著提高.為分析葉片優化后風力機的功率特性，采用動力學分析軟件Simpack建立風力發電機的整機模型，聯合TurbSim生成風文件對葉片加載，仿真分析得到風輪的功率，分析結果表明風力機功率達到設計要求.

葉片氣動特性；三維流場；功率

0 引言

葉片是風力機組中最關鍵的部件之一，其良好的氣動性能是葉片風能有效利用的保證[1]，通過氣動性能分析，能比較準確地模擬風場的流動狀況，為葉片優化設計提供參考數據.而葉片周圍旋轉流場是三維的，只對葉片做二維翼型的氣動性能模擬，不能精確分析葉片的流動氣動流場情況.

本文運用流體軟件Fluent對葉片進行仿真，觀察葉片周圍流體流態，并對葉片進行優化設計，使葉片周圍流場分布合理，并利用動力學分析軟件Simpack建立風力機整機模型，聯合TurbSim生成的風文件對葉片進行加載，結果表明利用Fluent仿真是可信的，驗證了優化設計后的風輪的功率滿足設計功率.

1 葉片流場仿真分析

1.1 流場計算域的劃分

采用HyperMesh建立葉片的流場模型.將流場的計算域劃分成內、外流域兩部分[2]，如圖1所示.風輪半徑為R，計算域的具體尺寸為: 內流域半徑R1=1.5R；外流域半R2=3R；上風向長度L入=5R；下風向的長度L出=10R.

由于葉片是高速旋轉的，內流域空氣流動速度梯度大，對葉片流場流態影響明顯，而外流域影響較小，因此，需要對內流域網格進行較密的劃分，對外流域網格做較疏的劃分，這樣可以減少計算時間，避免資源浪費，葉片流場網格模型如圖2所示.

1.2 邊界條件設定

根據3MW風力機機組運行工況，對流場模型的邊界條件進行設置:進口邊界采用速度進口；出口邊界設置為壓力出口；內流域為旋轉域，旋轉軸為X軸，利用滑移網格，用右手定則確定方向；葉片壁面，設置為旋轉壁面，相對旋轉速度為0；外流域靜止.

1.3 葉片表面氣動流場分析

來流風速度分別設定為4 、8 、12 、18和25 m/s，5 種工況，葉片流場如圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示.

圖3 葉片表面流線圖

當來流風速度為4 m/s時，即在切入工況下，由圖3(a)可知，葉片吸力面總體上有較好的二維流動.在靠近葉根部分，葉片的空氣流動發生了局部分離，并且從葉根向葉中區域延伸，形成一條分離線，在葉根附近趨于葉片尾緣處，氣流流動有明顯的三維漩渦.

當來流風速度為8 m/s時，由圖3(b)可以看出，三維漩渦效應由葉根尾緣附近移動到葉根前緣附近；在r/R<47%部分，流場流態基本上呈現出完全分離的狀態，而在r/R=47%葉展處，形成一條分離線，且從葉中區向葉尖區域移動，逐漸靠近尾緣，最后在葉尖附近與葉片尾緣重合.

當來流風速度為12 m/s時，即額定來流工況，如圖3(c)所示，此時在r/R<80%部分，吸力面表面的流動已經完全分離，在r/R=80%葉展處，形成一條分離線，不斷沿葉尖方向延伸，在r/R=95%葉展處分離線與尾緣重合.

當來流風速度為18 m/s時，如圖3(d)所示，在r/R<95%葉片表面發生完全分離，在r/R>95%葉展區域靠近葉片前緣處流體有少許的附著，在r/R=95%的葉展區域，形成一個小的漩渦.

當來流風速度為25m/s時，在切出工況下，如圖3(e)所示，分離區域已經發生在葉片的整個吸力面上，此時葉片表面的流動情況復雜，失速現象嚴重.

由上述5種工況，可以看出，失速現象的發生是隨高度的增加，從葉根區域開始逐漸向葉尖方向延伸，且來流風速越大，失速情況越嚴重.

切入工況時，分離流只發生在葉片中部區域以下，葉片中部以上至葉尖區域，還有完整的附著流，形成良好的二維流動；從8 m/s開始，葉片中間部分也開始有分離產生，而葉根附近已經有完全分離的跡象；12 和18 m/s時，完全分離逐漸向葉尖發展；25 m/s切出來流工況下，失速現象嚴重，分離流發生在整個葉片上.

1.4 葉片截面氣動流場分析

葉片表面流線圖(圖3)雖然可以反應出葉片表面二維流體流態，卻不能反應出三維流場的狀態，因此，還需要分析葉片截面流體流態，以查看葉片表面流體流動分離、附著及漩渦狀態.設定來流風速為4、8、12 、18和25 m/s，5種工況，葉片截面流場如圖4、6～ 9所示.

當來流風速為4 m/s，即在切入工況下，由圖4可知，分離渦出現在r/R=30%和r/R=47%兩個截面的吸力面尾緣處，其中r/R=47%截面的分離渦要比r/R=30%截面的分離渦大，在其他截面沒有明顯的分離渦存在.該結果與切入工況下，葉片表面流場分布，圖3(a)是一致的.

圖4 4 m/s時四個截面的流場分布

從二維翼型的理論分析，如式(1)所示，當攻角超過失速攻角αs發生失速時，升力會隨著升力系數Cl的減小而上升，即翼型上方氣流分離程度降低，分離渦變小，失速現象減弱.

(1)

式中，FL為翼型所受升力；ρ為來流密度；c為翼型的弦長；Cl為升力系數.

理論上，Cl隨攻角α的變化如圖5所示，在失速區，升力系數隨公角的增大而減小.

圖5 升力系數與攻角的關系曲線

而在實際的繞流中，r/R=30%截面翼型的攻角大于r/R=47%截面翼型的攻角，而吸力面尾緣的分離渦卻比r/R=47%截面小，這是主要是由于在葉根區域葉片旋轉效應引起了失速延遲[3].

當來流風速為8 m/s，由圖6可知，在r/R=30%、r/R=47%、r/R=63%和r/R=80%四個截面吸力面尾緣附近均有分離渦存在.且從r/R=30%截面到r/R=47%截面，吸力面尾緣附近的分離渦逐漸變大，分離程度逐漸增加，到r/R=47%截面分離渦已經發展到整個吸力面，并且截面呈現出雙分離渦狀態.

圖6 8 m/s時四個截面的流場分布

當來流風速為12 m/s，即額定工況下，由圖7可知，選取的四個截面的分離程度加大，分離渦面積明顯增加.從r/R=30%截面到r/R=63%截面的分離渦都表現為雙渦狀態.

圖7 12 m/s時四個截面的流場分布

當來流風速為18 m/s，由圖8可知，截面分離狀態繼續加大，在其它四個截面，分離渦已經完全占據了葉片吸力面.

圖8 18 m/s時四個截面的流場分布

當來流風速為25m/s，即切出的工況下，由圖9可知，整個葉片吸力面均發生分離，葉片各截面已經進入完全失速狀態.

圖9 25 m/s時四個截面的流場分布

1.5 葉片翼型優化

通過對比上述葉片表面及截面的流體流態，可知在隨機風速作用下葉片失速現象嚴重，不具有較好的氣動特性,需要對翼型進行優化.

采用正交試驗方法對翼型進行優化設計，選取翼型的厚度所在弦長的位置、前緣半徑、彎度三種因素.

為了減少試驗次數，實驗因素水平一般以2～4為宜[4].本試驗選用因素的水平數為3，以最大升力系數(yi)1，最大升助比(yi)2為評價指標.最后利用極差法分析實驗結果，確定因素的主次和最優組合.如表1，表2所示為因素水平表和試驗結果分析表.

表1 因素水平表

表2 試驗結果分析

(2)

yi*為綜合評分，其表達式為：

(3)

(yi)1=max(cL)

(4)

(yi)2=max(cL/cD)

(5)

式中,λ1、λ2為升力系數、升阻比權值系數.

1.6 優化后葉片氣動流場分析

來流風速度分別設定為4、8、12 、18和25m/s，5 種工況，優化后葉片流場如圖10(a)～(e)所示.由圖(a)～(c)可知，在風速小于12 m/s即額定風速條件下，只有在靠近葉根附近的區域，流線發生了沿著展向方向移動，發生分離，在葉片其他部分，流線分布與弦線方向平行，空氣完全附著，葉片失速程度較優化前明顯減弱，氣動性能提高.隨著風速逐漸增大到18、25 m/s，流動分離線逐漸往葉尖方向擴展，與優化前相比沒有在整個葉片上發生嚴重失速.

圖10 優化后葉片表面流場分布

圖11 優化后12 m/s時四個截面的流場分布

與圖10(c)對應，當來流風速為12 m/s，即額定工況下，由圖11可知，分離渦出現在r/R=30%和r/R=47%兩個截面處，在其他截面沒有明顯的分離渦存在.表明風力機葉片周圍空氣附著良好，優化后的葉片失速程度明顯降低，具有良好的氣動性能.

2 風力機輸出功率特性分析

為研究優化后風力機輸出功率變化，并驗證fluent仿真的可靠性，在Simpack中分別建立葉片優化前后整機模型，對風力機輸出功率特性進行仿真分析， 運用TurbSim模擬輪轂處平均風速為4， 8， 12， 18和25 m/s的隨機風場， 生成風文件.

Simpack通過空氣動力學軟件AeroDyn，輸入風場文件，生成力元[5]，完成對風力機加載.

如圖12知，在額定風速范圍之內，隨著風速V的增大，風力發電機輸出功率P也在增大.當達到額定風速時，優化前風力機輸出功率為2.4MW，優化后機組輸出功率滿足設計要求，為3.1 MW.并且利用simpack軟件仿真出的風力機功率與fluent中仿真得到的功率基本一致.

(a)優化前

(b) 優化后

3 結論

(1)以一種3MW翼型葉片為基礎，建立葉片幾何模型， 利用流體仿真軟件Fluent分析葉片在

隨機風速條件下的氣動特性，得到了葉片周圍流場分布狀況，并與葉片幾個截面周圍流場進行對照，分析結果表明葉片在三維旋轉條件下存在較嚴重失速;

(2)在保證葉片輸出功率的前提下，利用正交試驗方法對翼型進行優化設計，并且分析了由優化后的翼型形成的葉片表面及截面在在隨機風速下流體的流態，分析結果表明，優化后的葉片的失速程度明顯的降低，氣動性能顯著提高;

(3)采用Simpack和TurbSim軟件，建立了風力機整機模型并對葉片進行加載，分析了翼型優化前、后風力機機組在隨機風作用下的輸出功率，優化后的輸出功率達到設計要求，并對比Fluent仿真分析的結果，兩者有良好的一致性，證明了輸出功率結果是可信的.

[1]王旭東，王立存，李平，等．基于多學科的風力機葉片形狀優化設計研究[J]．機械科學與技術，2012，31(5):806-809.

[2]曲佳佳.風力機葉片氣動載荷的計算方法研究[D] .北京：中國科學院工程熱物理研究所,2014.

[3]伍艷，王同光.三維旋轉效應對葉片非定常氣動特性的影響[J].南京航空航天大學學報,2005,37(2):178-182.

[4]任露泉．試驗優化設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2003：19-21.

[5]周素霞，陶永忠，張志華，等．simpack 9(上) 實例教程[M]. 北京：聯合出版公司,2013：1-30

Analysis of Aerodynamic Characteristics of 3MW Wind Turbine Blades

SHAN Lijun，LIU Yuan

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

The internal and external flow field model of wind turbine blade is established, and the flow behavior and aerodynamic characteristics of wind turbine are analyzed by using fluid mechanics software Fluent．Though optimizing blade design, the stall degree is obviously reduced under the action of random wind speed. By comparing the flow pattern of the blade section and the blade surface, it shows that the optimized blade aerodynamic performance is significantly increased. The whole model of wind turbine is established by a dynamic analysis software Simpack, and the wind file is generated combined by turbsim for blade loading. Wind turbine power is obtained by simulation analysis, and the results show that the wind turbine power meets the design requirements .

aerodynamic characteristics; three-dimensional flow field; power

1673- 9590(2017)01- 0071- 05

2015-12-09

單麗君(1966-)，女，教授，博士，主要從事機械設計及理論的研究

A

E- mail:slj@djtu.edu.cn.