葉尖小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響分析

陶維翔

(大唐新疆清潔能源有限公司,新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，促使風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主力市場(chǎng)逐步轉(zhuǎn)向低風(fēng)速或超低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)(年平均風(fēng)速為5～6 m/s)。低風(fēng)速和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了新要求。為保證風(fēng)電開(kāi)發(fā)者有較好的投資回報(bào)和開(kāi)發(fā)收益，需要近一步提高風(fēng)力機(jī)組在低風(fēng)速段的風(fēng)能捕獲能力。葉片作為風(fēng)能捕獲器件，其氣動(dòng)性能直接影響到機(jī)組的發(fā)電量。因此，如何提高風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能已成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。在改善風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的研究方法中，相較增加葉片長(zhǎng)度和添加控制裝置，葉片改型和優(yōu)化較為簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。

在水平軸風(fēng)力機(jī)葉片修型中，科研人員對(duì)添加葉尖小翼的方法進(jìn)行了有意的探索，并取得了積極進(jìn)展。文獻(xiàn)[1-2]首先提出了在風(fēng)力機(jī)葉尖添加小翼的想法，同時(shí)對(duì)添加Delft小翼的的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了理論證明。文獻(xiàn)[3]對(duì)S型和V型小翼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出了在不同葉尖速比下，添加葉尖小翼后的風(fēng)力機(jī)功率曲線，同時(shí)開(kāi)發(fā)出了新型的Mie葉尖小翼，證實(shí)了葉尖增加Mie型小翼可促進(jìn)轉(zhuǎn)輪對(duì)風(fēng)能的捕獲。丹麥技術(shù)大學(xué)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖小翼技術(shù)進(jìn)行了研究，指出了扭轉(zhuǎn)和后掠型葉尖小翼可提高風(fēng)力機(jī)葉片效率[4]。挪威國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)增添葉尖小翼的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬研究，論證了葉尖小翼能夠提高風(fēng)能捕獲能力[5]。文獻(xiàn)[6]在風(fēng)洞開(kāi)口試驗(yàn)段采用2維粒子圖像測(cè)速 (particle image velocity，PIV) 技術(shù),用實(shí)驗(yàn)的方法研究了葉尖加裝V型小翼葉片的影響。得出小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)影響的主要范圍是在截面r/R=0.86～1.04 pu之間(r為葉片截面到葉根的距離，R為葉片長(zhǎng)度),約占主葉片長(zhǎng)度的14%左右。文獻(xiàn)[7]探討了添加葉尖小翼對(duì)功率的放大作用。文獻(xiàn)[8]采用結(jié)合滑移網(wǎng)格的大渦模擬方法，得出增加葉尖小翼可以減少了葉尖渦能量，降低了葉片的氣動(dòng)噪聲的結(jié)論。

本文以2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，基于數(shù)值計(jì)算的方法研究不同風(fēng)速條件下，添加后掠L型葉尖小翼后的風(fēng)力機(jī)性能；同時(shí)與原風(fēng)力機(jī)進(jìn)行比較，通過(guò)分析有無(wú)葉尖小翼葉尖部位流場(chǎng)和壓力的分布情況，探討添加葉尖小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響。

圖1 水平軸風(fēng)力機(jī)計(jì)算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal axis wind turbine calculation model

1 計(jì)算模型

本文以某2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。該計(jì)算模型由內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域和外部靜止區(qū)域組成，其中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域?yàn)榘L(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域。風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)如表1所示。圖2為原葉片葉尖和添加葉尖小翼后葉片葉尖模型。其中添加的葉尖小翼為后略L型平板小翼。

表1 2 MW風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 2 MW wind turbine

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片葉尖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Blade tip structure of wind turbine

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 k-ε湍流模型

數(shù)值計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是求解速度和長(zhǎng)度尺度兩變量，適合完全發(fā)展的湍流的二方程模型；在工程上流場(chǎng)計(jì)算中，應(yīng)用最為廣泛，是積累經(jīng)驗(yàn)最多的模型；對(duì)邊界層流、射流和尾跡流等，能夠計(jì)算出滿意的結(jié)果；與其他計(jì)算模型相比，k-ε模型計(jì)算量小，穩(wěn)定性好，適用于低雷諾數(shù)，收斂性好。

2.2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

運(yùn)用ICEM軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)計(jì)算流域網(wǎng)格按區(qū)域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的劃分是求解控制方程的基礎(chǔ)。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到模擬計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。由于風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分將造成龐大的網(wǎng)格數(shù)量。為減少網(wǎng)格數(shù)量的同時(shí)保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉片葉尖區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，確保在葉片頂部獲得更高的計(jì)算精度。添加葉尖小翼后的葉片頂部局部網(wǎng)格如圖3所示。為消除網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，需要確定所用網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果之間無(wú)關(guān)聯(lián)性[9]。對(duì)原風(fēng)力機(jī)分別在497萬(wàn)、691萬(wàn)、876萬(wàn)、1 104萬(wàn)、1 356萬(wàn)網(wǎng)格下進(jìn)行了模擬，由圖4所示網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證圖可知：隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，功率逐漸穩(wěn)定；在網(wǎng)格超過(guò)1 104萬(wàn)后，功率的變化很小。綜合考慮模擬精度和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)的影響，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1 104萬(wàn)，其中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格493萬(wàn)，外部靜止區(qū)域網(wǎng)格611萬(wàn)，添加小翼后內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格為518萬(wàn)。

圖3 葉尖小翼網(wǎng)格Fig.3 Tip winglet mesh

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證圖Fig.4 Verification of grid independence

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 添加葉尖小翼后葉尖區(qū)域的流場(chǎng)特征

在葉片未添加小翼前，首先對(duì)原型風(fēng)力機(jī)在5、7 、9和10 m/s(額定風(fēng)速為10 m/s)的風(fēng)速條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比了風(fēng)力機(jī)功率的模擬值與風(fēng)力機(jī)功率曲線，如圖5所示。在上述所選的風(fēng)速條件下，計(jì)算功率的誤差范圍在2.49%～4.9%之間，結(jié)果較為精確，可保證數(shù)值模擬的可靠性。

圖5 風(fēng)力機(jī)功率曲線Fig.5 Wind turbine power curve

3.1.1 葉尖區(qū)域速度矢量分布

圖6 葉尖部位速度矢量分布云圖Fig.6 Velocity vector distribution cloud map at leaf tip

圖7 葉片吸力面表面流線圖Fig.7 Streamline map of suction surface of blade

流體通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，靠近葉片表面的氣體在葉片旋轉(zhuǎn)離心力的作用下有流向葉尖的趨勢(shì)，向上運(yùn)動(dòng)的氣流與原通過(guò)葉尖的氣流混合，使葉尖部位形成了復(fù)雜的3維流動(dòng)。圖6為額定風(fēng)速下，添加小翼前后葉尖截面速度矢量云圖。圖6(a)顯示了原葉尖截面速度矢量分布，在葉片旋轉(zhuǎn)的作用下，氣流有向葉尖位置流動(dòng)的趨勢(shì)，原型葉片向來(lái)流方向彎曲，將對(duì)向上流動(dòng)的氣體產(chǎn)生阻礙，使通過(guò)葉尖頂部的氣流混亂復(fù)雜并產(chǎn)生回流，造成葉片尖部產(chǎn)生較大的誘導(dǎo)阻力，降低了葉片尖部氣動(dòng)效率。圖6(b)表明，對(duì)比原葉片，添加后掠L葉尖小翼對(duì)向上流動(dòng)的氣流具有導(dǎo)流的作用，小翼通過(guò)重整葉尖區(qū)域的氣流，使得通過(guò)葉尖的氣流變得平滑流場(chǎng)，有效改變了葉尖部位的雜亂流動(dòng)和氣體的回流，減小了氣流對(duì)葉頂?shù)臎_擊和誘導(dǎo)阻力，提升了葉片尖部的氣動(dòng)效率。

3.1.2 葉尖吸力面表面流線圖

風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將造成葉片前緣和后緣置處流動(dòng)氣體流動(dòng)的速度增加，氣流速度增加后，將產(chǎn)生逆壓梯度，造成通過(guò)葉片后的氣流分離與流動(dòng)阻力的增加[10]。圖7為額定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)葉片吸力面流線圖。如圖7(a)所示，原葉片葉尖部位存在氣體流動(dòng)分離現(xiàn)象，并形成了一條清晰的分離線：向著葉尖方向，分離線向前緣位置偏移；在接近葉片頂部位置，分離線消失，葉片頂部出現(xiàn)了強(qiáng)烈的3維流動(dòng)，并產(chǎn)生了不大的旋渦。圖7(b)所示的小翼葉片吸力面流線分布中，葉片尖部流動(dòng)分離線靠近葉片后緣分離線位置向著葉尖方向未發(fā)生變化，并在葉尖小翼與葉片連接處消失，在整個(gè)小翼吸力面上，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的分離流動(dòng)，同時(shí)在葉片頂部未發(fā)現(xiàn)有葉尖渦的存在。

3.2 添加小翼前后葉尖部位壓力分布與力矩變化

3.2.1 葉尖區(qū)域壓力分布

葉尖區(qū)域流場(chǎng)的變化，將影響到葉片葉尖表面壓力分布[11]。在相同的壓力梯度與額定風(fēng)速下，添加小翼前后葉尖(0.96～1)R處壓力分布如圖8所示。由圖8(a)可見(jiàn)，原葉片吸力面靠近前緣位置壓力值最小，沿著弦線方向，逐漸遞增到葉片后緣位置，在后緣位置達(dá)到最大值。添加小翼后，吸力面壓力分布如圖8(b)所示，對(duì)比原葉片，后掠L型小翼使吸力面葉片前緣部低壓區(qū)域擴(kuò)大，在后掠葉尖小翼位置，壓力分布為中低壓區(qū)，且壓力梯度變化不大。圖8(c)為原葉片壓力面壓力分布，壓力面壓力值最大在前緣位置，中間部位壓力最小，通過(guò)中間位置、靠近葉片后緣壓力值變大。圖8(d)為小翼葉片壓力面壓力分布，相對(duì)原葉片，葉尖小翼增加了葉片壓力面靠近后緣位置的壓力，在后掠小翼位置壓力分布為中高壓區(qū)域，壓力梯度無(wú)明顯變化。因此，圖8表明，葉尖小翼增加葉尖部位前后面壓差，作用在葉片上的力變大，轉(zhuǎn)輪力矩變大。

圖8 葉尖區(qū)域壓力分布Fig.8 Pressure distribution in tip region

3.2.2 葉片葉尖力矩變化曲線

圖9 葉尖轉(zhuǎn)矩沿展向分布圖Fig.9 Tip torque distribution along spread direction

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，產(chǎn)生電能[12]。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)輪力矩，決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)量，添加小翼后，葉片尖部壓力發(fā)生變化，造成葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸力矩發(fā)生變化。在數(shù)值模擬中，風(fēng)輪繞Z軸旋轉(zhuǎn)，葉片對(duì)Z軸的力矩決定風(fēng)力機(jī)的出力。為此，選取葉片沿葉尖方向的位置為自變量，葉片單位長(zhǎng)度對(duì)Z軸的力矩為因變量，研究葉尖(0.96～1)R處的轉(zhuǎn)矩分布。在不同計(jì)算風(fēng)速條件下，葉片添加小翼前后力矩變化如圖9所示：在不同的風(fēng)速下，添加小翼前后，葉片沿葉尖方向力矩變化趨勢(shì)基本相同；葉片葉尖部位力矩隨葉片長(zhǎng)度遞減迅速，在葉尖位置，力矩值減到最小。添加后掠L型小翼后主要提升對(duì)(0.975～0.99)R位置處的葉片轉(zhuǎn)矩：在小翼與葉片后仰位置0.995R處與原葉片力矩幾乎相同；在通過(guò)0.955R位置后，小翼部分對(duì)Z軸力矩對(duì)比同位置處的原葉片也有一定程度的增加；同時(shí)，添加葉尖小翼增加了葉片長(zhǎng)度，在增加的葉片長(zhǎng)度上，力矩變化緩慢，其力矩值均大于原葉頂力矩值。

3.3 風(fēng)力機(jī)總體性能

3.3.1 轉(zhuǎn)輪軸向推力

由壓力降產(chǎn)生的葉片上軸向推力對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定和整個(gè)風(fēng)力機(jī)組強(qiáng)度產(chǎn)生影響。表2為不同風(fēng)速下添加小翼前后葉片上的軸向推力。添加L型小翼后，葉片軸向推力變大，在5 m/s時(shí)增幅最大；隨著風(fēng)速的增加，軸向推力增幅有所減??；達(dá)到10 m/s額定風(fēng)速，增幅略有提升，但整體增幅不大，推力系數(shù)增幅在0.46%～0.81%之間，增幅不明顯。

表2 不同風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)軸向推力Table 2 Axial push of wind turbine at different wind speed

3.3.2 風(fēng)力機(jī)功率

可根據(jù)如下功率與力矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系計(jì)算出風(fēng)力機(jī)捕獲的功率：

(1)

式中：M為力矩，N·m；ω為角速度，rad/s；n為轉(zhuǎn)速， r/min。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際發(fā)出功率與風(fēng)輪捕獲的功率存在傳動(dòng)損失和電器損失[13]，損失量不會(huì)超過(guò)轉(zhuǎn)輪捕獲電能的91%，因此風(fēng)力機(jī)實(shí)際發(fā)出的功率大約為：P=0.91P1，通過(guò)計(jì)算得出添加后掠L型葉尖小翼葉片前后，在不同風(fēng)速條件下的功率如表3所示。與原葉片相比，添加L葉尖小翼，能夠提升風(fēng)力機(jī)組發(fā)電效率；低于額定風(fēng)速條件，風(fēng)力機(jī)發(fā)出功率均有一定程度的提高。在5 m/s低風(fēng)速條件下，提升幅度最大，隨著風(fēng)速的增加，增幅減小，但風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，增幅有所提升。在計(jì)算風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出功率提升范圍約為3.4%～4.2%，增幅較為明顯。由于壓力降，產(chǎn)生的葉片上的軸向推力對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定和風(fēng)力機(jī)組強(qiáng)度將產(chǎn)生影響。

表3 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)功率Table 3 Wind turbine power at different wind speed

4 結(jié)論

1) 添加L型后略葉尖小翼，可重整通過(guò)葉片尖部氣流，葉尖區(qū)域氣體流動(dòng)變?yōu)槠交鲌?chǎng)，減小了葉片葉尖區(qū)域誘導(dǎo)阻力，阻斷了葉片吸力面氣流分離的同時(shí)，小翼部分出現(xiàn)了穩(wěn)定的氣流分離。

2) 小翼改變了葉片前后壓力面的壓力分布，增加了葉片前后面壓差；壓差的改變使葉片對(duì)Z軸的力矩發(fā)生變化，葉片(0.975～0.99)R位置上的轉(zhuǎn)矩變大；同時(shí)小翼增加了葉片長(zhǎng)度，風(fēng)輪掃略面積變大，風(fēng)力機(jī)出力增加。

3) L型葉尖小翼提升了風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率，增大了葉片軸向推力，對(duì)比風(fēng)力機(jī)功率的增加幅度，軸向推力增幅較小，功率提升幅度約為3.4%～4.2%，提升效果明顯。