風力發電機葉片預彎設計及其數值研究

郭婷婷, 吳殿文, 王成蔭, 李少華

(1.北京國電龍源環保工程有限公司,北京 100052;2.大唐山東新能源有限公司,青島 266061;3.東北電力大學 能源與動力工程學院,吉林 132012)

風力發電機是將風能轉換為電能的機械裝置.葉片是風力發電機的主要部件,其設計優劣直接決定了風力發電機組的發電效率.LM公司提出的葉片預彎設計方法能夠簡潔、經濟地解決該問題[1].葉片預彎能在來流風速變化時有效地調節風力發電機的輸出功率.國內有關風力發電機葉片預彎方面的文獻甚少.

在翼型及葉片設計方面,文獻[2]針對翼型彎度和翼型的影響進行了一系列的風洞試驗,得出了較好的成果;文獻[3]對1.5 MW 風力發電機組葉片采用M atlab軟件進行設計并考慮了預彎處理,模擬分析了所設計葉片的合理性,但并未分析預彎對葉片產生的影響.但實際上,預彎尺寸對葉片是有一定影響的,因此需要進一步對葉片大部分區域進行預彎處理和研究.

在數值模擬方面,文獻[4]利用180°旋轉對稱性建立了流場區域,并對單葉片進行了數值模擬.文獻[5]對風力發電機葉尖加小翼的風輪進行了模擬,其流場區域選擇了整體圓柱形劃分網格,且將流場區域劃分為內外兩部分,并在內部采用了加密處理;N.N.Sorensen等采用Ellip Sys3D軟件結合SSTκω模型對單葉片和三葉片兩種不同葉輪的氣動性能進行了研究.可見,由于扭曲葉片表面的復雜性,采用合理的尺寸自行建立流場區域進行模擬是可行的,SSTκ-ω模型對模擬結果具有很好的精確性.

本文針對1.2 MW風力發電機組4種不同預彎尺寸的葉片進行了模擬研究.預彎起始于距離葉片根部1/3 R(R為風輪半徑)處,葉片的預彎尺寸分別選取0 m、0.3m、0.6 m和0.9 m.通過對以上4種尺寸預彎葉片的模擬結果進行分析與比較,得出在設計工況下較為合適的預彎尺寸,從而為整機風輪模擬奠定基礎.

1 葉片建模與網格劃分

風力發電機的葉片參數示于表1.根據文獻[3]和[6]的方法,將各葉片沿展向從輪轂到葉尖分別以1m的間隔均分為35個截面.各葉片在展向距離輪轂中心1/3R處開始朝背離塔架方向彎曲.圖1為沿葉展長度方向的預彎尺寸,圖2為不同預彎尺寸葉片的三維模型.

表1 葉片參數Tab.1 Parameters of the b lade

圖1 沿葉展長度方向的預彎尺寸圖Fig.1 Stretch ou t view of pre-bent blade along the length direction

圖2 不同預彎尺寸葉片的三維模型Fig.2 Th ree-dimensional model of b lades with different p re-bend sizes

取單葉片為研究對象,圖3為流場分區和主要尺寸.從圖3可知:計算區域分為外部區域和內部旋轉區域兩部分.外部區域的柱面距輪中心的距離為68 m,輪殼直徑設為4m,旋轉小區域寬10m,其中迎風面距旋轉平面為6 m,背風面距旋轉中心為4m,內部旋轉區域的柱面距輪殼柱面為38m.在外部區域中,入口距旋轉小區域的迎風面為64 m,出口距旋轉小區域的背風面為101 m.外部流場采用六面體網格劃分,內部流場區域采用局部加密的網格(圖4).從圖4可知:對葉片周圍流場使用size function函數進行局部加密;4種預彎尺寸的葉片均按照相同方法、相同尺寸建立流場和劃分網格,其網格數列于表2.

圖3 流場分區和主要尺寸(單位:m)Fig.3 Flow field division and the main sizes(unit:m)

圖4 內部流場區域局部加密的網格劃分Fig.4 Grid division for the interior flow field

表2 不同預彎尺寸葉片的網格數Tab.2 Grid number o f b lade with different pre-bend sizes

2 計算方法與邊界條件

2.1 計算方法

假設葉片為剛體,模擬過程不考慮葉片表面的變形.本次模擬均基于穩態不可壓縮流動三維定常雷諾時均 N-S方程進行數值模擬,采用分離的(segregated)隱式求解器三維穩態算法,紊流模型采用SSTκ-ω模型,壓力-速度耦合采用 Simple算法,對流項差分格式采用二階迎風格式[6-7].

2.2 邊界條件

4個預彎尺寸葉片的流場區域均按照圖3中的尺寸進行建立,其邊界條件設置相同,均按照以下條件設置.

進口(上方的扇形面):選用速度進口邊界條件,假定進口處具有相同的風速,不考慮風速切變的影響,進氣方向為垂直進口面,給出進口風速.

出口(下方的扇形面):假定出口流動充分發展,此處選出口邊界為自由出流.

風洞壁面(大扇形柱面的側表面):選擇邊界為wall,靜止無滑移.

葉片及輪轂:無滑移且絕熱,選擇邊界為wall,設定為旋轉壁面,相對附近區域旋轉速度為0.

內部流場各面(除兩側面之外):設定邊界條件為interior.

內外區域的側面:設置為周期性邊界.

3 結果與分析

風力發電機轉子的輸出功率為:

式中:P為輸出功率,MW;T為轉矩,N?m;n為葉輪的轉速,r/min;b為葉片數.

在得出各葉片的輸出功率后,將其與額定功率進行比較得到相對誤差,然后根據相對誤差的大小分析葉片預彎尺寸對風力發電機輸出功率的影響.

式中:γ為相對誤差;P0為額定功率(1.2 MW).

根據式(1)和式(2),結合數值模擬得到的轉矩,分別將不同預彎尺寸葉片的模擬結果列于表3.從表3可看到:僅從葉片預彎方面考慮,預彎尺寸對風力發電機的輸出功率產生了重要影響;未預彎時相對誤差為2.48%,隨著預彎尺寸的增大,輸出的轉矩和輸出功率均變小,同時絕對誤差也減小;當預彎為0.6m時,絕對誤差僅為-6.9W,輸出功率與額定功率的相對誤差為0.000 6%,非常接近額定功率1.2MW;當預彎尺寸增大到0.9m時,葉片的輸出功率與額定功率的絕對誤差為-46 852.5W,相對誤差為3.9%,大于其余3種情況下的相對誤差.

表3 不同預彎尺寸葉片的模擬結果Tab.3 Simulation results for blades with different p re-bend sizes

圖5為不同預彎尺寸葉片對應的輸出功率及其絕對誤差.從圖5可知:葉片輸出功率與絕對誤差隨預彎尺寸變化明顯.從未預彎到預彎0.3m時,輸出功率的變化幅度較小,與額定功率的絕對誤差的減小幅度也不大;而在預彎尺寸從 0.3 m變化到0.9 m的過程中,輸出功率變化明顯,絕對誤差顯著減小.由此可看出,葉片的輸出功率隨葉片預彎尺寸的增大而減小,且這種特性是非線性的.

圖5 不同預彎尺寸對應的輸出功率及絕對誤差Fig.5 Power output and the absolute error vs.pre-bend size

4 預彎結果的后處理

4.1 不同預彎葉片各截面的壓力系數

在Fluent軟件的后處理中,壓力系數的計算公式為:

式中:p∞為遠場壓力;W為旋轉速度及來流風速的合成,m/s;ρ為氣體密度,1.225 kg/m3.

從式(3)可看出,壓力系數是一個無量綱量.圖6為作用在葉素上的氣流速度三角形.從圖6可知:由于攻角的存在,駐點在o點處,偏離前緣a點,此處風速為零,壓力最大;從駐點o到后緣c的過程中,風速逐漸增大,壓力降低,使壓力系數減小;駐點o沿a點和b點到c點的過程中,風速先增大后減小,壓力相應地先降低后升高,在到達b點時風速達到最大值,此處壓力最低,壓力系數呈負最小值,此后,壓力逐漸回升,在后緣c點處接近壓力面的壓力值.

圖6 作用在葉素上的氣流速度三角形Fig.6 Velocity triangle of airflow on blade element

圖7為葉片各截面處的壓力系數.未預彎、預彎0.3m及預彎0.6 m時葉片的壓力系數曲線絕大部分重疊,僅在局部很小位置處存在很小差異.因此,為使壓力曲線圖較清晰地反映出預彎的變化,圖7僅對預彎0.6 m和預彎0.9 m葉片的壓力系數曲線進行分析比較,略去了未預彎和預彎0.3 m葉片的壓力系數曲線.

圖7 葉片各截面處的壓力系數Fig.7 Pressure coefficient of the blade at various sections

圖7中的曲線上半部分是壓力面的壓力系數,最大正壓力系數位于駐點o處,下半部分為負值,是吸力面的壓力系數,最大負壓力系數位于點b處,符合對圖6分析得出的結論,因此圖7中的系數曲線均合理.

圖7(a)和圖7(b)中,在oab過程中預彎0.6 m和預彎0.9 m葉片的壓力系數曲線一致.但是在最大正壓力系數點o處到后緣c點過程中,圖7(a)中兩預彎葉片的壓力系數曲線起初是一致的,隨著靠近c點,預彎0.9 m葉片的壓力系數變小且在靠近后緣c點處,旋渦比預彎0.6m葉片的大.由于旋渦的存在使兩葉片的吸力面和壓力面的壓力系數在靠近c點處發生變化,但此處截面靠近輪轂,對整個風力發電機的輸出功率影響不大,而在圖7(b)中預彎0.9 m葉片的壓力系數先大于后小于預彎0.6m的壓力系數.在oc過程中,圖7(a)和圖7(b)曲線變化一致,預彎0.9 m葉片的壓力系數均比預彎0.6 m的大.圖7(c)中兩種葉片的壓力系數曲線幾乎完全一致,僅在ab過程中存在少許差別.圖7(d)中預彎0.9 m葉片的壓力系數均比預彎0.6 m的小.圖7(e)與圖7(d)的不同之處是在oa過程中,預彎0.9 m葉片的壓力系數大于預彎0.6 m的葉片,而其余處兩種尺寸葉片的壓力系數曲線基本一致,預彎0.9 m的葉片壓力系數稍小于預彎0.6 m的葉片.

通過對兩種預彎尺寸葉片壓力系數曲線的比較,結合上面得到的預彎0.9 m葉片的輸出功率比其余預彎尺寸葉片的輸出功率偏小這一結論,可以得出在4種預彎尺寸中,預彎0.6 m葉片的情況較好,因此選擇預彎0.6 m的葉片為對象進行進一步分析.

4.2 葉展方向不同截面處的湍動能

圖8給出了預彎0.6m時不同葉片截面的湍動能.從圖8(a)和(b)可以看出:在葉片中部位置,葉片的湍動能變化不大,對流場周圍的流體影響較小.而從圖8(c)可看到:風力發電機的湍動能對周圍流場的影響有所增大,這說明風力發電機在葉片中間部分損失的風能小,湍流僅對葉片周圍流場的狹窄區域有一定的影響,這與風力發電機葉片中間部分為葉輪汲取風能的主要部位相一致.圖8(c)為葉片臨近葉尖處截面的湍動能,此處風速增大且流動比較復雜,形成較多的旋渦,使湍動能影響的范圍增大,導致風能損失增大;湍流的影響范圍距后緣達13 m,遠大于葉片中部的8m,因此葉尖損失在葉片設計中不可忽略.以圖8(c)為例,湍動能對尾跡的影響可達后緣后的13 m處,此截面距輪轂中心為33.6 m,此處的切向速度為64.85m/s,相鄰葉片間距為70.336 m,因此上游葉片旋轉對下游葉片的影響是不可避免的.

圖8 不同葉片截面的湍動能(單位:m2/s2)Fig.8 Turbulent kinetic energy of the b lade at various sections(unit:m2/s2)

5 結 論

(1)葉片預彎方法對葉片的輸出功率有一定影響.綜合4種預彎尺寸的模擬結果可以得出:風力發電機輸出功率隨著預彎尺寸的增大而減小,在來流風速變化時,可以利用這一特性調節風力發電機的輸出功率.

(2)針對本文1.2 MW風力發電機組的葉片,在4種預彎尺寸中,預彎0.6m的葉片性能優于其他3種預彎尺寸的葉片.

(3)對預彎0.6 m葉片的湍動能進行研究得出:葉片間的相互影響是不可避免的,需要對單葉片及單風輪的模擬結果作進一步分析與比較.

[1] LM玻璃纖維有限公司.風車轉子和用于該風車轉子的機翼型葉片:中國,98808849.5[P].2000-10-11.

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