聚風風力發電系統的葉片設計方法與仿真模擬研究

鄢 瀚

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

0 引言

風力發電是通過將空氣中的動能轉化為機械能繼而發電的可再生能源發電技術。由于風力發電效率與來流風速的三次方成正比，加裝聚風結構后風能密度可以有效提升，可以在來流風速較低的情況下進行風力發電[1]，因此提出了在風力機周圍加裝擴散放大器結構，這種風力機稱作聚風型風力機或濃縮型風力機[2，3]，同時具有風速穩定、葉輪受沖擊小、噪音低、安全性強、使用壽命長的優點[4，5]。

葉片的外形直接影響風力機功率特性[6]，傳統風力機葉片設計方法基于葉素-動量理論，結合GLauert方法或Wilson方法，以每個葉素截面最大輸出功率為目標，對葉素弦長與扭角進行計算。

在聚風發電系統中，由于聚風風場與自然風場有較大不同，設計風力發電機葉片時需要考慮來流風場的風速分布，本文在Wilson葉片設計方法上進行改進，研究了自然來流經過聚風裝置在風輪安裝截面的風速分布，同時考慮到葉片尺寸相對較小，經過聚風后的風速相對較大，葉片設計時，相比于一般葉片，尖速比適量減少。參考田德教授設計的濃縮風能型風力發電機風洞實驗[7]，對聚風發電系統葉片設計問題進行仿真模擬研究，將所設計的葉輪與實驗所用葉輪進行對比，分析了兩種葉片在不同風速下的輸出功率。

1 葉片設計理論

1.1 葉素與動量理論

如圖1所示，將葉片沿展向劃分為若干個微段，這些微段被稱為葉素，通過單獨分析每個葉素的受力，再沿葉片展向積分，即可得到葉輪整體受力及力矩。動量理論研究了風能向葉輪機械能的轉化，確定了來流風速與風輪受力的關系。通過葉素與動量理論結合，得出方程式

圖1 葉素理論模型

1.2 W ilson模型

Glauert方法和Wilson方法是常用的兩種葉片設計方法，Glauert方法研究了葉片后渦流對葉片氣動性能的影響，并在葉片設計中引入了軸向和周向誘導因子；Wilson方法在此基礎之上進一步研究了葉尖損失和升阻比對葉片的影響，是目前設計精度較高一種葉片優化方法[8]。給出葉尖損失Ftip[9]及局部風能利用系數dCp如下

式中，R為風輪半徑，λ0為葉尖速比。

以風力設計理論公式為基礎，通過調用matlab中的非線性約束優化函數fmincon，以局部風能利用系數最大為目標函數，以式（2）、（3）為約束條件，對誘導因子a、b進行迭代優化，根據誘導因子可以求解各葉素的最佳弦長與扭角。

2 模型修正與設計

由于本文研究對象為聚風風場下的風輪葉片，在Wilson方法的基礎上，考慮了小型聚風裝置風速分布的不均勻性，設計過程中，在各葉素處不再是以單一初始風速為設計條件，而是以聚風罩為研究對象，以風輪旋轉中心為圓心，沿葉片展向各葉素處取點，先得到各葉素處風速分布Vi，從而得到各葉素處速度比，以 λi代替上式 λ，并據此對葉片弦長扭角進行計算。

2.1 聚風結構風場模擬與分析

本文以田德教授所使用的聚風裝置為模擬對象，聚風裝置模型如圖2。通過fluent模擬聚風罩內速度分布。通過Solidworks繪制聚風罩模型，并導入ICEMCFD（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics），在ICEM中建立圓柱形流場，使用非結構化網格，由于主要研究流體流速經過聚風罩的流速變化，需要在聚風罩附近加密。通過模擬計算得到內部流場速度分布如圖3。可以看到聚風罩邊緣風速首先被增加，高于中心處風速，之后由于靠近壁面處被減速，經過一段發展，形成中間風速高邊緣低的風場。

圖2 聚風裝置結構及參數

圖3 聚風罩內流場風速分布

2.2 葉片參數設計與建模

根據流場速度分布，得到Vi分布如表1。由于研究對象葉輪尺寸較小，且來流經過聚風裝置進行加速，葉尖速度相對于來流風速來說相對較小，因此選擇葉尖速比λ0=3。選擇葉片數量B=3，風輪半徑R=0.5。根據上述設計公式，可以得到沿葉片展向各葉素扭角弦長分布，如表2。

表1 葉輪安裝截面不同葉素處來流風速

表2 不同半徑處各葉素扭角與弦長

所用翼型為NACA63210，通過翼型設計軟件profili，可以獲得該翼型在某一雷諾數下的升力系數Cl、阻力系數Cd以及最佳攻角。小型風力發電葉輪各葉素可以使用相同攻角α，本文選取雷諾數為2×106，由profili軟件得到翼型NACA63210的最大升阻比處攻角為α＝9.5，此時升力系數Cl＝1.2，阻力系數Cd＝ 0.12。

由profili可以得到翼型NACA63210的二維坐標數據結合所得的扭角弦長數據，通過向三維坐標轉換，繼而可以得到整個葉片的空間坐標數據。再將三維坐標點導入Solidworks，繪制葉根圓以及樣條曲線，通過放樣功能，能得到葉片模型，最終可以繪制整個葉輪，將其命名為YP型葉輪，圖4為Solidworks中繪制得到葉素曲線及葉輪三維模型。

圖4 Solidwor k s中繪制葉片及葉輪三維結構

3 仿真模型驗證與對比結果分析

3.1 仿真模型及網格劃分

本文以田德教授濃縮風能型風力發電機風洞實驗為研究對象，并以實驗中最佳葉輪NB3型進行仿真模擬，通過仿真結果與實驗數據進行對比，驗證仿真模型。

NB3型葉片參數如表3，通過坐標轉換得到其三維坐標，并在Solidworks中繪制葉輪，將葉輪模型與聚風裝置模型導入ICEM，使用非結構化網格，在內部旋轉域使用密度較高的網格，并在葉片表面處進行加密。

表3 N B3型葉片參數

3.2 仿真模型驗證與結果分析

設置湍流模型為模型，設置邊界條件：采用速度入口，壓力出口。旋轉域與靜止域之間建立interface。求解方法選擇SIMPLEC，同時監控了葉片進出口流量及葉輪轉矩系數。

計算收斂后得到圖5為NB3型葉輪速度云圖，由速度云圖可以看到，流體經過聚風罩，在入口邊緣處獲得加速，并帶動中心處速度的提升，入流風速為，而風輪處流速約為21 m/s，而實驗測得風輪處氣流流速為風洞風速2.04倍[8]，這證明了模擬得到的風場是可信的。

圖5 N B3型葉輪速度云圖

而由葉輪轉矩系數，在CFD-Post中可以得到風輪所受力矩，進而可以計算風輪功率，風輪功率公式：

式中，P為輸出功率，W；T為轉矩，N·m；B 為葉片數；N為風輪轉速，r/min。

分別計算入口速度4～12 m/s時的風輪功率，根據實驗所取發電機效率0.5，計算不同來流風速下發電功率，并取實驗圖數據進行對比，得到不同來流風速下NB3型葉輪仿真與實驗發電功率如圖6，來流風速在5 m/s增大到10 m/s時，發電功率會迅速增加，之后會趨于穩定。從變化趨勢上看，仿真結果與實驗數據基本相同，但仿真更趨于理想狀態，而實驗可能會因為與理想模型有差別，以及測量誤差的影響，而導致最終結果有少許差別。但整體上來看，聚風發電系統三維仿真模型是可信的。

圖6 不同來流風速下N B3型葉輪實驗與仿真發電功率

同上步驟對YP型葉輪進行數值模擬，得到YP與NB3型葉輪對比發電功率對比如圖7，來流風速在5 m/s以下時，YP型葉輪輸出功率略低，而風速在8 m/s以上時，則會由較大提升，而本文葉片設計風速為來流風速10 m/s，說明本文所設計葉片在設計風速段有更高的發電效率。

圖7 Y P型葉輪與N B3型葉輪輸出功率

4 結論

（1）由于自然來流經過聚風裝置后，風場風速分布發生較大變化，在聚風發電系統葉片設計時，需要考慮來流風速經過聚風裝置在葉輪截面處風速分布，空氣經過聚風裝置時，會在首先在邊緣處獲得加速，而中心部分風速相對較低；經過一段距離的發展，由于邊緣壁面影響，風速會降低，形成中心風速高，邊緣風速低的風場。

（2）以田德教授風洞實驗為研究對象，對NB3型葉輪建立仿真模型，計算了不同來流風速時葉輪的發電功率，通過與實驗數據的對比，驗證了所使用的仿真模型的可靠性。

（3）以Wilson方法為基礎，考慮了自然來流經過聚風罩后在葉輪安裝截面的風速分布，設計了YP型葉片，通過與NB3型葉片進行對比，證明了所使用的葉片設計方法在設計風速下有較高的發電效率。