基于Xflow風(fēng)機(jī)葉片覆冰數(shù)值模擬研究

摘 要：為研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片覆冰后對(duì)其運(yùn)行性能帶來的諸多問題，本文采用格子玻爾茲曼方法-大渦模擬的無網(wǎng)格方法對(duì)貴州某1.5 MW大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)葉片霧凇、雨凇覆冰下的結(jié)冰程度、風(fēng)速及轉(zhuǎn)速對(duì)其輸出能力的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合出一組公式。結(jié)果顯示：額定風(fēng)速下霧凇覆冰程度達(dá)2%時(shí)，與未覆冰（0%）時(shí)相比，輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)分別減少了5.06%和11.89%;結(jié)冰度達(dá)20%后其功率和風(fēng)能利用系數(shù)分別降低了26.23%和31.54%;當(dāng)雨凇覆冰程度達(dá)到2%后其輸出功率降低16.47%，風(fēng)能利用系數(shù)降達(dá)21.29%，10%的雨凇形式覆冰其功率降幅為31.51%，風(fēng)能利用系數(shù)降幅達(dá)35.46%;轉(zhuǎn)矩及輸出功率均隨風(fēng)速的增加不斷上升，結(jié)冰度為20%時(shí)，其轉(zhuǎn)矩和功率較結(jié)冰程度為零時(shí)減少了26.23%;轉(zhuǎn)矩、輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速增大而上升，轉(zhuǎn)速為16 r/min時(shí)是最佳轉(zhuǎn)矩狀態(tài);運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合的公式獲得的覆冰模型，可進(jìn)行有效的性能預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片;覆冰;Boltzmann方法;大渦模擬;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TK83 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，我國(guó)聚焦綠色低碳轉(zhuǎn)型，繼續(xù)深化能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，風(fēng)力發(fā)電在全球電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的占比不斷上升。葉片覆冰（霧凇、雨凇等）[1]問題會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的輸出性能、電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全等造成巨大影響，為減輕覆冰帶來的諸多影響，確保其輸出性能及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外許多科研人員對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰問題進(jìn)行了很多研究。任曉凱[2]對(duì)小型風(fēng)力機(jī)在結(jié)冰程度增加過程中的風(fēng)能的利用系數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）數(shù)值模擬，研究了不同覆冰類型及覆冰多少對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)帶來的問題，并且在人為制造的室內(nèi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)覆冰實(shí)驗(yàn)。付忠廣[3]等應(yīng)用CFD軟件，對(duì)覆冰后的葉片的氣動(dòng)性能有了較深的了解，說明了覆冰會(huì)造成葉片的氣動(dòng)性能方面發(fā)生惡化。也有學(xué)者采用格子玻爾茲曼（lattice boltzmann method，LBM）-大渦模擬（large eddy simulation，LES）方法進(jìn)行相關(guān)研究，鄒森[4]采用了LBM-LES方法及亞格子模型對(duì)風(fēng)力機(jī)自由旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的湍流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果證明了LBM-LES能有效地了解得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較復(fù)雜的湍流流場(chǎng)的細(xì)節(jié)。

本文基于LBM-LES方法，采用Xflow軟件對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。根據(jù)本研究的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，運(yùn)行人員可利用固定安裝的高清晰度攝像頭、無人機(jī)航拍等技術(shù)手段獲得的結(jié)冰圖片判斷其類型及厚度后結(jié)合預(yù)測(cè)模型可對(duì)風(fēng)機(jī)葉片覆冰輸出性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為電廠運(yùn)行提供一定的參考。

1 風(fēng)機(jī)葉片的幾何模型與覆冰模型

1.1 幾何模型

本文基于貴州某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的1.5 MW某型號(hào)的水平軸風(fēng)力機(jī)，采用Glauert法結(jié)合在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)收集的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)，利用建模軟件CATIA對(duì)葉片建立三維建模，風(fēng)機(jī)葉片幾何模型如圖1所示。

該風(fēng)機(jī)葉片三維模型中，風(fēng)機(jī)風(fēng)輪直徑88 m，葉片半徑是44 m，其中輪轂的半徑為1 m，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度為17.4 r/min，風(fēng)機(jī)葉片最大弦長(zhǎng)在葉片徑向距離等于0.2 R的位置取得，弦長(zhǎng)C為3.67 m，葉片各截面上的弦長(zhǎng)是沿著徑向半徑逐漸變小，葉片尖端處的弦長(zhǎng)為1.0 m 。

1.2 覆冰模型

本文結(jié)合實(shí)際情況并參考文獻(xiàn)[5-6]中的表示方法，定義覆冰程度為葉片葉尖處的翼型沿弦長(zhǎng)的覆冰厚度與葉尖處弦長(zhǎng)值之比，參考文獻(xiàn)[7-9]知風(fēng)力機(jī)葉片霧凇形式下的覆冰形狀的相對(duì)規(guī)則，通常呈現(xiàn)為流線型，主要集中在葉片的前端;而雨凇呈突起的角狀冰型。風(fēng)機(jī)葉片兩種覆冰形式（霧凇、雨凇）的二維截面表示為圖2、圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 覆冰程度對(duì)輸出性能的影響

由圖6可知，隨著霧凇結(jié)冰不斷惡化，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、風(fēng)能利用系數(shù)及功率都呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。通過分析轉(zhuǎn)矩圖6（a）和輸出功率圖6（b）曲線可知，低風(fēng)速下葉片覆冰起始段轉(zhuǎn)矩和輸出功率降低不明顯，如6 m/s的速度下，2%的霧凇覆冰較未覆冰（0%）時(shí)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率幾乎沒有變化，速度提高后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輕微霧凇結(jié)冰后其功率和轉(zhuǎn)矩下降趨勢(shì)越來越明顯;從圖6（c）可以看出，輕微霧凇覆冰時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)顯著下降，隨著覆冰程度不斷加重，風(fēng)能利用系數(shù)受結(jié)冰程度的限制較形成冰的初期時(shí)小。

分析圖7可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，與霧凇覆冰相同，雨凇覆冰不斷加重后風(fēng)機(jī)的輸出性能總體明顯降低。對(duì)比雨凇覆冰程度為2%時(shí)與未覆冰（0%）兩個(gè)工況下轉(zhuǎn)矩和輸出功率的結(jié)果，可以看出，其下降幅度比較顯著，與霧凇形式的覆冰存在區(qū)別，且雨凇覆冰程度達(dá)10%時(shí)風(fēng)機(jī)的輸出功率較0%時(shí)下降達(dá)31.51%左右。

3.2 風(fēng)速對(duì)輸出性能的影響

由圖8可知，在覆冰程度不變的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩隨速度的升高而增大，當(dāng)速度達(dá)到9 m/s接近額定速度值10 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)矩和其功率曲線變化較緩。在霧凇覆冰程度不同的情況下，雖然轉(zhuǎn)矩和輸出功率具體數(shù)值不同，但是總體的變化趨勢(shì)始終保持一致，覆冰程度較小的幾條曲線比較靠攏，當(dāng)覆冰程度較大時(shí)曲線間隔變大，當(dāng)覆冰為20%時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩和其功率較覆冰程度為零時(shí)下降了26.23%，可以看出如果覆冰持續(xù)加劇，風(fēng)機(jī)輸出性能會(huì)繼續(xù)下降。

分析雨凇覆冰不同風(fēng)速下輸出性能變化曲線可知，隨著風(fēng)機(jī)葉片表面的冰厚度的增加，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率隨著風(fēng)速的升高逐漸增加，但風(fēng)速較?。ā? m/s）時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩及出口功率增長(zhǎng)較為平緩。

3.3 轉(zhuǎn)速對(duì)輸出性能的影響

由圖10可知，覆冰加重引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、出口功率和風(fēng)能的利用系數(shù)等性能指標(biāo)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。起始時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、出口功率和風(fēng)能的利用系數(shù)均隨轉(zhuǎn)速的上升而增大，當(dāng)其轉(zhuǎn)速增達(dá)16 r/min時(shí)，若繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，而出口功率及其風(fēng)能利用系數(shù)仍保持相對(duì)之前比較平緩地增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4 結(jié)論

論文采用LBM-LES的無網(wǎng)格方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片兩種覆冰類型的覆冰程度、風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)其功率、轉(zhuǎn)矩及風(fēng)能利用系數(shù)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸出功率及風(fēng)能利用系數(shù)均隨葉片覆冰程度的加重呈下降趨勢(shì)，速度不變情況下霧凇覆冰程度達(dá)2%時(shí)，與0%時(shí)相比，其功率減少5.06%，風(fēng)能利用系數(shù)下降了11.89%;覆冰程度達(dá)20%時(shí)，輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)應(yīng)減少了26.23%和31.54%。當(dāng)雨凇覆冰程度達(dá)到2%時(shí)，功率降幅達(dá)16.47%，風(fēng)能利用系數(shù)降幅達(dá)21.29%，10%的雨凇覆冰程度其功率降幅為31.51%，風(fēng)能利用系數(shù)降幅達(dá)35.46%，功率和風(fēng)能利用系數(shù)降幅均大于霧凇覆冰20%時(shí)的工況。

（2）在一定的覆冰程度下，其轉(zhuǎn)矩、輸出功率均隨著風(fēng)速的升高而不斷增加，當(dāng)風(fēng)速增大到9 m/s接近額定風(fēng)速值10 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率曲線基本保持水平不變，當(dāng)覆冰20%時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率較未覆冰（0%）時(shí)下降了26.23%。

（3）轉(zhuǎn)速的不斷上升將引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率及風(fēng)能利用系數(shù)增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速加大到16 r/min時(shí)，若繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)，對(duì)于轉(zhuǎn)矩而言，轉(zhuǎn)速為16 r/min時(shí)為最佳狀態(tài)。

（4）根據(jù)擬合公式結(jié)果顯示，輸出功率、轉(zhuǎn)矩及風(fēng)能利用系數(shù)均與覆冰程度成二次方關(guān)系，與霧凇覆冰相比，雨凇形式的覆冰對(duì)其性能會(huì)帶來更大的影響。

根據(jù)本文研究所得結(jié)果，風(fēng)力發(fā)電廠可通過現(xiàn)代科技技術(shù)獲得風(fēng)機(jī)葉片覆冰類型及程度后對(duì)其采取相應(yīng)措施，確保其運(yùn)行的有效性、穩(wěn)定性及安全性。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract： In order to study the problems caused by the operation performance of wind turbine blades after icing， this paper adopts the lattice Boltzmann method-large eddy simulation meshless method to analyze the wind turbines of a large 1.5 MW wind farm in Guizhou. The effect of icing degree， wind speed and rotation speed on the output capacity of blade rime and rime icing is studied numerically， and a set of formulas are fitted according to the calculation results. The results show that： when the rime icing degree reaches 2% under the rated wind speed， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 5.06% and 11.89% compared with the non-icing （0%）; when the icing degree reaches 20%， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 26.23% and 31.54% respectively; when the rime icing degree reached 2%， its output power decreased by 16.47%， and the wind energy utilization coefficient dropped to 21.29%. The power reduction rate of 10% rime icing was 31.51%， the wind energy utilization coefficient has dropped by 35.46%; both torque and power continue to rise with the increase of wind speed. When the icing degree is 20%， the torque and power are reduced by 26.23% compared to when the icing degree is zero; The torque， the output power and wind energy utilization coefficient both increase with the increase of speed. When the speed is 16 r/min， it is the best torque state; the icing model obtained by the formula fitted by the calculation result can be used for effective performance prediction.

Key words： blade of wind turbine; ice coating; Boltzmann method; large eddy simulation; numerical simulation