直驅風力發電機翼型特性數值仿真

黃 娜，關正偉，黨曉圓，李 潔

(重慶郵電大學移通學院，重慶 401520)

1 引言

在風力發電機的設計中，首先需要考慮到風翼的設計是否滿足應用地區的條件和發電機的功率需求。這就需要在設計時擬定風翼的形狀，葉數等因素，其中風翼的翼型直接影響風力發電機的風力特性參數[1]。

在設計中需要對發電機翼型進行模擬以保證風翼可以滿足設計需求。而對翼型特性的分析中，早期人們采用模擬的方法，文獻[2]提出Gurney襟翼對風力機翼型氣動噪聲影響的數值模擬，當迎角為4°～20°時，原始翼型及帶不同高度襟翼的翼型氣動特性和流場分布通過Fluent軟件LES模型進行計算，然后根據FW-H聲學模擬法，用Acoustics模塊精確求解遠場氣動噪聲。文獻[3]提出風力機翼型定常粘性分離流動分析與數值模擬，針對風力機翼型表面流體分離的實際情況，利用普朗特分離準則，給出了風力機翼型表面流體分離的充要條件。針對N-S方程所描述的實際粘性流，對其分離點附近的實際粘性流的特性進行了分析，得到了分離流線、零u線和零渦線的相對位置，并利用 Fluent流體分析軟件進行了數值計算，得到了S809翼型的氣動特性及其周圍流場分布。文獻[4]提出小攻角時風力機翼型邊界層特性的數值模擬，發現沿翼型弦方向，從前緣到后緣，邊界層名義厚度、位移厚度、動量損失和能量損失厚度都有增加的趨勢，沿翼型吸力平面外法線方向，四種厚度的最大值分別為翼型弦長的1.25%、0.36%、0.17%和0.29%；在邊界層內，邊界層內流體的黏度影響顯著，沿翼型吸力平面外法線方向，流體切向速度的最大值隨邊界層的名義厚度增加而逐漸減少，當法向高度大于邊界層的名義厚度時，邊界層速度剪切特性基本保持不變。

雖然上述方法取得一定進展，但反映的特性有限。后續計算機的應用，人們開始利用算式進行數值仿真，為了進一步提高仿真結果的準確性，研究者利用有限元分析軟件對模擬風翼的運動過程和風阻狀況來進行數值仿真。但在實際研究中發現，由于有限元分析軟件無法計算因特定情況下產生的翼身抖振現象，導致數值模擬分析結果準確性不足，難以滿足實際需求。因此對于風力發電機的翼型特性數值仿真仍需要進一步的改善和研究。

2 直驅風力發電機翼型特性數值仿真方法設計

2.1 直驅風力發電機組整機結構

直驅風力發電機由傳動器、風輪、制動器、液壓機、塔架以及發電機等基本設備組成，其中，傳動器主要由主軸、齒輪箱和聯軸節組成；風輪主要由葉片和輪轂組成；制動器主要由氣動制動和機械制動組成；液壓器主要由電機、油箱、液壓閥等組成；塔架采用筒形結構，底座采用鋼筋混凝土結構；發電機主要由異步發電機和低速永磁發電機組成[5-6]。直驅風力發電機組整機結構如圖1所示。

圖1 直驅風力發電機整機結構圖

風力機負荷的種類有：靜態負荷、穩態負荷、周期負荷、極限負荷和疲勞負荷。這些負荷中，靜態負荷為風電機組不轉動時所產生的負荷，穩態負荷為風電機組轉動時所產生的負荷，周期負荷為機組運行時所產生的負荷，周期負荷為機組結構在某一周期變化期間所產生的負荷，負荷變化周期與風輪轉速成正比[7]；極限負荷需要綜合考慮實際情況，區分機組正常狀態和故障狀態；兆瓦級風電機組整機每轉一周，產生低速軸和葉片重力完全相反的力，從而產生疲勞負荷。

2.2 風力空氣動力模型

在進行風力發電機翼型特性的數值仿真中，首先要確定風力空氣動力模型，并作為數值仿真的運算基礎[8]。在本文研究中，根據動力理論的理想翼型的氣流模型，如圖2所示。

圖2 氣流管樁模型圖

在動力理論中的翼型理想氣流模型中，空氣被設置為不可壓縮的狀態，同時在氣流流經風翼時，氣流質量相等，并在單位時間內通過截面，而此時的氣流質量為ρAU，而氣流通過風輪時則應滿足

ρA∞U∞=ρAdUd=ρAwUw

(1)

在式(1)中，ρ代表當前氣流中的空氣密度，A代表氣流的截面面積，U代表當前流經風翼的氣流流速，∞代表風翼的無窮遠處，d代表風力翼型的風輪圓盤處，w代表風翼的下游尾端。由于風翼的阻擋，導致氣流在經過風翼時，氣流的流速出現變化，從而在運算中導入軸向誘導因子a，以及風翼對氣流的軸線速度誘變aU∞，而氣流流經風翼的速度則為

Ud=(1-a)U∞

(2)

而根據氣體動量理論，氣流經過風翼后的動力改變則為

ΔP=ρAdUd(U∞-Uw)

(3)

根據空氣動量改變公式，可以推出風翼經過的壓力差值，如下所示

(p+-p-)Ad=ρAdUd(1-a)(U∞-Uw)

(4)

而式(4)的壓力差，也可以反映出當前壓力和風能之間的關系，從而確定當前風翼翼型的利用系數Cp定義為

(5)

而風翼利用系數的最大值，則代表風翼翼型的理想狀態。

2.3 數值仿真翼型參數確定

風翼的葉片從轉動中心到葉尖半徑中的剖面翼型弦長為Li，通常條件下風翼葉片可以將空氣動力的平均分配至整個葉片中，這往往是受到葉片的扭曲形態以及翼片的翼型弦長等因素的影響[9]。因此需要將風翼葉片中參數更全面的輸入。而葉片在轉動狀態下，葉尖在不同半徑下的葉片弦長Li的計算為

(6)

在式(6)中，r代表風翼葉片的轉動圓心和該葉片葉尖之間的距離，單位為m。Ce代表風翼葉片的形狀參數，該數值可經由風葉葉片的尖速值來獲得。CL代表風翼葉片的升力系數，該數值可由翼型的升阻比曲線，并在其中選取最佳比值來獲得[10]。進而根據葉片的實際安裝效果，給出葉片安裝時的安裝角度，即：θi=φi-αm，其中θi代表風翼轉動中心在葉尖的不同位置中，半徑ri對應的安裝角度，φi代表在風翼的ri處對應的葉片迎風角，αm代表風翼葉片的平均迎角。其中αm值需要進行另外的計算，計算方法為

(7)

2.4 翼身抖振非定常數計算

由于預設了風力空氣動力模型，因此可以根據該模型來結合當前翼身特定狀態下的氣動特性，來計算風翼的翼身抖振非定常數，首先確定風翼翼身的邊界時間步條件，如下所示

△t=(0.03×c)/Um

(8)

在(8)中，c代表風翼翼身的最大弦長，Um代表翼身來流速度。同時采用UDF方法來改變風翼自由流角方向，并定義其中流迎角α隨時間t的規律產生的變化。根據K-ε湍流能方程，得出

(9)

在式(9)中，k代表其中的湍流動能，ε代表風翼的湍流消耗率，Gk代表在不同的風速影響下湍流的生成狀態，Gb代表受到浮力的影響導致的湍流動能生成狀態，YM代表湍流在空氣氣流出現脈動現象時導致的膨脹的產生率，σk代表普朗特常數，μt代表湍流狀態下的粘性因素。在進行數值仿真時，需要將相應的計算區域劃分為旋轉域以及靜止域，在計算中，控制體內發電風翼的外部區域，而旋轉域則是考慮風翼在旋轉坐標系內的求解計算，并在靜止域中，經過非旋轉坐標系對控制進行求解計算，并在不同區域中對風翼的抖振非定常數進行求解[12]。求解完成后，再進行數據過交界面進行傳遞，而在靜止域中，風力發電機的空氣流暢計算控制方程則需要采用翼身抖振非定常數進行計算，如下所示

(10)

式中，φ代表氣流輸送變量，pa代表風翼空氣密度，ua則在靜止域內的空氣流場速度，Γφ代表空氣流場內的擴散系數，qφ代表靜止域流場內的源項。而在旋轉域中則可以寫為

qφr=qφ-ρ[2ω×uar+ω×(ω×r)]

(11)

式中，uar代表空氣流場內旋轉坐標系的速度，qφr帶旋轉坐標中源項，而當式(9)中的φ=1、qφr=0時，風翼則處于連續狀態，則流向則作為源項動量來計算。

2.5 數值仿真機翼生成

在數值仿真中，往往風翼葉片的生成過程通過點線面的生成過程，而在使用該方法進行數值仿真過程中，由于需要逐點進行生成，因此往往工作量較大，且費時費力[7]。本文中選擇采用Pre/E方法，來提供數據文件生成曲線的造型方式，并將對應的翼型數據根據相應的格式編寫為IBL格式，并導入對應的Pro/E的翼型邊界曲線，由于在Fluent的分析過程中，使用的單位為m，因此在Pro/E中進行二次導入的數據也應為m為單位，同時在單一組別中的發電機翼型需要選擇相同的旋轉坐標系，并生成對應的葉片截面邊界，如圖3所示。

圖3 葉片截面邊界載入方式

葉片外表面，則可以運用相同的載入方式來實現，并對邊界進行混合，依次選取各個截面上存在的邊界曲線，并生成在葉片的下表面上，僅葉片上下表面分別進行生成，由于存在翼型尾側尖角，葉片容易出現局部扭曲，在生成時可以將兩個端部進行填充，并獲取端部截面。經過該方法獲得的翼型，無法進行布爾運算，因此后續需要在數值仿真中將葉片實現實體化，并生成對應的風翼細節。同時采用Gambit軟件來輸入相關參數，并定義翼型中存在的復雜扭曲面，將保存的STP文件導入Gambit中，并利用其中幾何修正方法，連接其中的點、線、面，并保證原始的集合精度，通過軟件功能將其中的小縫隙進行縫合，實現對風力發電機翼型的仿真生成，并導入至上述模型中，實現數值仿真。

3 仿真分析

為了驗證設計的數值仿真方法的可行性，本文以某地區的直驅風力發電機作為實驗對象，并使用文獻[2]、文獻[3]、文獻[4]中的數值仿真方法以及本文設計的數值仿真方法對該發電機的翼型特性進行數值仿真。

3.1 仿真數值來源

仿真中的數值由該直驅風力發電機中的技術參數以及該風力發電機運行時接收到的數據作為數值仿真的技術來源。

3.2 風力發電機技術參數

該風力發電機的額定功率為400kW，風力發電機所在環境風速在3～15m/s左右，且發電機的風能利用系數為0.41Cp。風能轉換效率為0.76。地區空氣密度為1.316kg/m3。本文實驗中的風力發電機，葉片數為3片，葉片之間夾角為120o，葉片質量為均勻對稱分布。風輪實度為12%。該發電機的翼型為NACA63-2XX系列，雷諾數為106。

3.3 發電機翼型特性仿真

本文實驗就當地常見的三種不同的風場環境時，發電機翼型的特性進行數值仿真。第一種風場環境為北-西風向，風速在11～12m/s之間，數值仿真結果如表1所示。

表1 第一種風場環境數值仿真結果

第二種風場環境中，風向為南-西風向，風速為6～7m/s左右，數值仿真結果如表2所示。

表2 第二種風場環境數值仿真結果

第三種風場環境中，風向為北-東風向，風速為12～13m/s左右，數值仿真結果如表3所示：

表3 第三種風場環境數值仿真結果

在上述實驗結果中數值仿真方法1代表本文設計的數值仿真方法，數值仿真方法2代表文獻[2]中的數值仿真方法，數值仿真方法3代表文獻[3]中的數值仿真方法，數值仿真方法4代表文獻[4]中的數值仿真方法。在上述實驗結果中可以發現，本文設計的數值仿真方法獲得的翼型特性數值更接近實際的特性系數，證明本文設計的數值仿真方法具有較高的準確性。

4 結束語

利用通過改善對發電機翼的抖振非常數值計算，提出了數值仿真方法，同時實驗證明該方法提高了數值仿真方法的準確性。但本文研究中，由于采用了風力空氣動力模型作為仿真的基礎模型，因此設計的數值仿真方法，無法對機翼自身磨損以及軸承老化等因素進行模擬，仍需要進一步的改進。