風(fēng)力機(jī)翼型風(fēng)沙沖蝕磨損演化過程研究

李德順,陳 霞,李銀然,郭興鐸,王亞娥

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué)甘肅省風(fēng)力機(jī)工程技術(shù)研究中心,甘肅 蘭州 730050; 3.蘭州理工大學(xué)甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050)

我國地域廣闊,風(fēng)能可開發(fā)量巨大,其中包括新疆、甘肅、青海等在內(nèi)的西北地區(qū)風(fēng)能資源尤為豐富,但是西北地區(qū)頻繁出現(xiàn)的沙塵天氣對風(fēng)力機(jī)的功率輸出產(chǎn)生很大影響,因此風(fēng)力機(jī)磨損機(jī)理的研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對風(fēng)力機(jī)葉片及翼型的磨損進(jìn)行了大量研究,Gaudern[1]建立5種磨損模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),結(jié)果表明不同磨損程度下翼型的升力系數(shù)最大下降達(dá)6%,阻力系數(shù)最大增加達(dá)86%;Slot等[2]概述了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的磨損模型,并表明表面疲勞是造成葉片磨損的主要原因;Khalfallah等[3]通過野外觀測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沙漠中運(yùn)行9個(gè)月的風(fēng)力機(jī)功率損失達(dá)57%;Soltani等[4]研究了風(fēng)力機(jī)葉片表面發(fā)生污染對其氣動(dòng)性能的影響;Gharali等[5]研究了前緣磨損深度和寬度對翼型氣動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明翼型氣動(dòng)性能降低主要由翼型磨損寬度引起;Ren等[6]利用數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)粗糙度臨界高度值為0.3 mm,當(dāng)粗糙度大于該臨界值后會(huì)對翼型氣動(dòng)性能造成更大影響;王成澤[7]研究了風(fēng)力機(jī)在不同顆粒直徑、顆粒濃度等條件下葉片表面的磨損規(guī)律及磨損機(jī)理;王燕[8]對不同磨蝕條件下S809翼型和NREL Phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了不同磨蝕條件對翼型和風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

風(fēng)力機(jī)葉片由于受到風(fēng)沙環(huán)境的影響,其壽命會(huì)大大縮短,1～2年內(nèi)葉片涂層會(huì)老化并脫落[9],第5年是風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行周期的關(guān)鍵階段[10],因此結(jié)合葉片風(fēng)沙沖蝕磨損的數(shù)值模擬,將運(yùn)行時(shí)間分別定為2年、3年、4年和5年,基于模擬結(jié)果對翼型逐次進(jìn)行改型,研究翼型表面磨損的演化過程及不同磨損特征演變的磨損機(jī)理。

1 數(shù)值模型

1.1 研究對象

為了更全面地研究風(fēng)力機(jī)葉片的磨損過程,研究選取蘭州理工大學(xué)外場實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)葉片上不同位置的6個(gè)截面翼型,該風(fēng)力機(jī)葉片采用NACA 4418-NACA 4424系列翼型族設(shè)計(jì),各個(gè)截面位置如圖1所示。各個(gè)截面的入流參數(shù)由葉素理論計(jì)算得到,幾何參數(shù)和入流參數(shù)見表1。數(shù)值模擬過程中來流速度、顆粒質(zhì)量濃度、顆粒直徑等參數(shù)均保持不變,顆粒形狀為球形,忽略顆粒重力,來流風(fēng)速為7 m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為1.2 r/s,顆粒的質(zhì)量濃度為1×105μg/m3。

圖1 葉片截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of blade section

表1 風(fēng)力機(jī)葉片不同截面幾何參數(shù)及入流參數(shù)

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

各個(gè)截面的網(wǎng)格均采用C型計(jì)算域,入口邊界距翼型尾緣點(diǎn)12.5倍弦長,出口邊界距尾緣點(diǎn)16倍弦長,顆粒入射面距離翼型前緣6倍弦長,計(jì)算域如圖2所示,其中C表示弦長。

圖2 計(jì)算域Fig.2 Calculation domain

1.3 磨損率模型

沖蝕磨損可定義為粒徑小于1 mm的固體松散小顆?；蛄黧w,以一定的速度(粒子速度550 m/s以內(nèi))和角度沖擊材料的表面所造成的磨損[11]。一般用材料的磨損率來衡量磨損程度。

磨損模型采用Erosion Model,磨損率[12]定義為

表2 磨損模型參數(shù)

1.4 模擬方法驗(yàn)證

如圖2所示,邊界ABC和CD為速度入口,邊界AE和DE為壓力出口,速度設(shè)置為表1中的相對速度,表面壓力設(shè)置為0,翼型壁面邊界條件為無滑移邊界條件。湍流模型采用SSTk-ω湍流模型,速度、壓力耦合采用SIMPLEC算法,離散方法采用二階迎風(fēng)格式。

雷諾數(shù)為5×105時(shí),得到的NACA 4418光滑翼型(C=1 m)升力系數(shù)、阻力系數(shù)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[14]對比圖如圖3所示。由圖3可知,攻角在3°～14°范圍內(nèi)模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,升力系數(shù)最大誤差為6%,阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差相對較大,但其變化規(guī)律基本一致,這是所有湍流模型均存在的問題[15],所以數(shù)值方法可靠。

2 建模方法

6#截面翼型壓力面的磨損率及磨損深度沿弦向的分布如圖4所示。圖4(a)表示表面磨損率分布,通過磨損時(shí)間(t)、涂層密度(ρ)和磨損率(E)計(jì)算得到對應(yīng)位置處的磨損深度(h=Et/ρ)。圖4(b)所示的各位置磨損深度進(jìn)行第1次改型,改型方式為在磨損位置垂直于翼型表面去除同樣深度的涂層材料;在第1次改型的基礎(chǔ)上繼續(xù)對磨損翼型進(jìn)行數(shù)值模擬,得到新的磨損率分布,重復(fù)上述改型方法,得到各個(gè)截面在不同時(shí)期的幾何模型。由于第1次模擬結(jié)果翼型前緣出現(xiàn)脫層,結(jié)合文獻(xiàn)[9],將第1次磨損時(shí)間定為2年,其他3次磨損時(shí)間定為1年。

根據(jù)不同時(shí)期的磨損特征,將葉片表面磨損特征分為3種形式:砂眼、小坑和脫層[16],3種磨損特征的尺寸見表3,其幾何模型見圖5。由于文獻(xiàn)[16]中砂眼和小坑的平均直徑與深度相同,而研究得到的砂眼、小坑的直徑與深度大部分不相同,因此砂眼、小坑和局部脫層的尺寸主要通過表3中的直徑確定,直徑在0～0.51 mm定義為砂眼,直徑在0.51～2.54 mm定義為小坑,直徑大于2.54 mm均定義為局部脫層。

圖3 NACA 4418光滑翼型驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Validation results of NACA 4418 smooth airfoil

圖4 翼型壓力面磨損率及磨損深度沿弦向的分布Fig.4 Distribution of wear rate and wear depth of airfoil pressure surface along the string direction

表3 不同磨損特征尺寸

3 不同時(shí)期翼型幾何外形分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,1#截面翼型沒有發(fā)生磨損,因此對2#～6#截面翼型表面的磨損過程展開研究。各個(gè)截面光滑翼型與不同時(shí)期磨損翼型表面的幾何外形對比如圖6所示。

圖5 3種磨損的幾何模型Fig.5 Geometric model of three kinds of wear

由圖6可知,2年后2#截面翼型基本沒有發(fā)生磨損,其他截面翼型吸力面和壓力面均出現(xiàn)不同程度的砂眼、小坑和前緣脫層,且與翼型吸力面相比,壓力面磨損區(qū)域更大,砂眼數(shù)量更多。3年后2#截面翼型前緣出現(xiàn)輕微磨損,其他截面翼型前緣脫層深度增加,已有砂眼附近出現(xiàn)大量尺寸較小的新砂眼,少數(shù)砂眼和小坑局部深度增大。4年后各個(gè)截面翼型前緣脫層深度持續(xù)增加,翼型表面新出現(xiàn)的砂眼數(shù)量減少,少數(shù)相鄰的砂眼和小坑相連,形成了尺寸更大的小坑和局部脫層。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,5年后各個(gè)截面翼型表面磨損程度加劇,最大磨損深度達(dá)3.8 mm,部分小坑和局部脫層橫向尺寸沿弦線方向繼續(xù)變大,其中6#截面翼型磨損區(qū)域深度最大,磨損最嚴(yán)重。

圖6 各個(gè)截面翼型不同時(shí)期的幾何外形Fig.6 Geometric shapes of each cross-section airfoil at different periods

4 不同磨損特征變化過程機(jī)理分析

由圖6可知,風(fēng)力機(jī)翼型磨損特征變化過程分為3個(gè)階段:風(fēng)力機(jī)翼型表面產(chǎn)生砂眼;砂眼不斷擴(kuò)大成為尺寸更大的小坑;小坑發(fā)展成為局部脫層。通過研究翼型表面局部的顆粒軌跡和流線分布,分析翼型磨損特性演化機(jī)理。

4.1 第1階段

5#截面翼型表面某一位置處未發(fā)生磨損和出現(xiàn)砂眼后的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖7所示。由圖7(a)可知,翼型表面受到顆粒的碰撞后,會(huì)以一定角度在翼型表面發(fā)生反彈。當(dāng)顆粒跟隨空氣與翼型表面長時(shí)間作用后,翼型表面便會(huì)出現(xiàn)砂眼,如圖7(c)、(d)所示,由于砂眼改變了翼型的幾何外形,使顆粒與翼型表面的作用點(diǎn)位置發(fā)生變化,一部分顆粒隨空氣進(jìn)入砂眼內(nèi)部,在砂眼內(nèi)壁不斷碰撞反彈;由于黏性力的作用,氣流在砂眼內(nèi)部形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋渦。

4.2 第2階段

6#截面翼型表面某一位置處砂眼逐漸發(fā)展成為小坑的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖8所示。由圖8(a)～(d)可知,因?yàn)橐硇捅砻鎺缀涡螤畎l(fā)生變化,更多的顆粒跟隨空氣進(jìn)入砂眼,并不斷對其內(nèi)壁進(jìn)行撞擊,使其橫向尺寸逐漸增大,逐漸發(fā)展成尺寸更大的小坑,原來砂眼內(nèi)的主渦環(huán)直徑也逐漸增加。由圖8(e)、(f)可知,隨著時(shí)間的增加,到達(dá)砂眼右壁的顆粒數(shù)量增加,碰撞后經(jīng)反彈大部分顆粒到達(dá)砂眼左上角附近,導(dǎo)致砂眼內(nèi)部左上角附近深度不斷增大,原來砂眼內(nèi)部渦環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使該區(qū)域壁面附近誘導(dǎo)出二次渦和徑向流動(dòng)。5年后顆粒與小坑內(nèi)壁碰撞次數(shù)明顯增多,小坑尺寸繼續(xù)增大,小坑附近出現(xiàn)新的砂眼,部分小坑內(nèi)部誘導(dǎo)出尺度更大,方向與主渦相反的二次渦,如圖8(g)、(h)所示。

圖7 第1階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.7 Local particle trajectory and flow diagram of the first stage

圖8 第2階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.8 Local particle trajectory and flow diagram of the second stag

4.3 第3階段

5#截面翼型表面某一位置處小坑逐漸發(fā)展成為局部脫層的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖9所示。由圖9(a)～(d)可知,由于顆粒的持續(xù)撞擊,小坑附近出現(xiàn)新的砂眼,顆粒與小坑內(nèi)壁發(fā)生碰撞后,其運(yùn)動(dòng)軌跡改變,與相鄰壁面再次發(fā)生碰撞,導(dǎo)致該區(qū)域深度增加,隨著小坑尺寸變大,原來小坑內(nèi)的旋渦直徑也有所增大,旋渦下方誘導(dǎo)出二次渦,小坑上方出現(xiàn)明顯流動(dòng)分離。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,小坑內(nèi)壁由于顆粒的持續(xù)碰撞尺寸不斷增大,越來越多的顆粒進(jìn)入小坑,并與小坑右上角附近的壁面發(fā)生碰撞,使小坑沿翼型吸力面向右側(cè)不斷擴(kuò)張,發(fā)展成為小面積脫層,氣流在小坑內(nèi)部形成的2個(gè)旋渦的直徑大幅增加,二次渦的旋轉(zhuǎn)區(qū)域增加至脫層面積的1/3,砂眼內(nèi)部的旋渦由于脫層的存在也逐漸消失,如圖9(e)～(h)所示。

圖9 第3階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.9 Local particle trajectory and flow diagram of the third stage

5 結(jié)論

以蘭州理工大學(xué)外場實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)葉片的6個(gè)截面為研究對象,采用SSTk-ω湍流模型和DPM模型,對風(fēng)沙環(huán)境下不同時(shí)期翼型表面磨損過程及不同磨損特征變化過程機(jī)理進(jìn)行了研究分析,結(jié)果如下:

(1) 2年后各個(gè)截面翼型均出現(xiàn)了不同程度的砂眼、小坑和脫層,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,翼型前緣脫層深度不斷增加,翼型吸力面和壓力面不斷出現(xiàn)新的尺寸不一的砂眼,隨著時(shí)間的推進(jìn),部分相鄰的砂眼和小坑相連,形成尺寸更大的小坑或局部脫層,橫向尺寸沿弦線方向不斷擴(kuò)大。

(2) 顆粒與翼型表面發(fā)生碰撞后會(huì)以一定角度發(fā)生反彈,并與翼型表面發(fā)生多次碰撞,使翼型表面產(chǎn)生一定數(shù)量的砂眼,砂眼內(nèi)部產(chǎn)生旋渦;顆粒在砂眼內(nèi)部不斷進(jìn)行撞擊,導(dǎo)致砂眼發(fā)展成尺寸更大的小坑,小坑內(nèi)旋渦直徑不斷增大,并誘導(dǎo)出徑向流動(dòng)和二次渦;小坑一側(cè)內(nèi)壁由于顆粒的集中碰撞,沿該側(cè)不斷擴(kuò)張,逐漸發(fā)展成為局部脫層。