聚風風力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電是通過將空氣中的動能轉化為機械能繼而發(fā)電的可再生能源發(fā)電技術。由于風力發(fā)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(fā)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(wěn)定、葉輪受沖擊小、噪音低、安全性強、使用壽命長的優(yōu)點[4，5]。

葉片的外形直接影響風力機功率特性[6]，傳統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中，由于聚風風場與自然風場有較大不同，設計風力發(fā)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(jīng)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(jīng)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(fā)電機風洞實驗[7]，對聚風發(fā)電系統(tǒng)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(yōu)化方法[8]。給出葉尖損失Ftip[9]及局部風能利用系數(shù)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(yōu)化函數(shù)fmincon，以局部風能利用系數(shù)最大為目標函數(shù)，以式（2）、（3）為約束條件，對誘導因子a、b進行迭代優(yōu)化，根據(jù)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(jù)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(wǎng)格，由于主要研究流體流速經(jīng)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(jīng)過一段發(fā)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(shù)

圖3 聚風罩內流場風速分布

2.2 葉片參數(shù)設計與建模

根據(jù)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(jīng)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(shù)量B=3，風輪半徑R=0.5。根據(jù)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(shù)下的升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd以及最佳攻角。小型風力發(fā)電葉輪各葉素可以使用相同攻角α，本文選取雷諾數(shù)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(shù)Cl＝1.2，阻力系數(shù)Cd＝ 0.12。

由profili可以得到翼型NACA63210的二維坐標數(shù)據(jù)結合所得的扭角弦長數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。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(wǎng)格劃分

本文以田德教授濃縮風能型風力發(fā)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(shù)據(jù)進行對比，驗證仿真模型。

NB3型葉片參數(shù)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(wǎng)格，在內部旋轉域使用密度較高的網(wǎng)格，并在葉片表面處進行加密。

表3 N B3型葉片參數(shù)

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(jiān)控了葉片進出口流量及葉輪轉矩系數(shù)。

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(jīng)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(shù)，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(shù)；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(jù)實驗所取發(fā)電機效率0.5，計算不同來流風速下發(fā)電功率，并取實驗圖數(shù)據(jù)進行對比，得到不同來流風速下NB3型葉輪仿真與實驗發(fā)電功率如圖6，來流風速在5 m/s增大到10 m/s時，發(fā)電功率會迅速增加，之后會趨于穩(wěn)定。從變化趨勢上看，仿真結果與實驗數(shù)據(jù)基本相同，但仿真更趨于理想狀態(tài)，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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電功率

同上步驟對YP型葉輪進行數(shù)值模擬，得到YP與NB3型葉輪對比發(fā)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(fā)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(jīng)過聚風裝置后，風場風速分布發(fā)生較大變化，在聚風發(fā)電系統(tǒng)葉片設計時，需要考慮來流風速經(jīng)過聚風裝置在葉輪截面處風速分布，空氣經(jīng)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(jīng)過一段距離的發(fā)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(fā)電功率，通過與實驗數(shù)據(jù)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(jīng)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(fā)電效率。