1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與氣動(dòng)性能分析

徐　超，張兆德，于曉龍

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山　316022；2.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山　316101）

1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與氣動(dòng)性能分析

徐超1，張兆德1，于曉龍2

（1.浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022；2.浙江歐華造船股份有限公司，浙江舟山316101）

葉片是風(fēng)力機(jī)中最關(guān)鍵的部件，其氣動(dòng)性能決定風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。本文通過Glauert法設(shè)計(jì)1.5 MW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片，并利用FLUENT中的k-ω SST湍流模型，采用周期性邊界，對葉片進(jìn)行氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。分析葉片槳距角固定的風(fēng)力機(jī)在不同來流時(shí)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和軸向推力。研究表明：風(fēng)輪在額定工況下，輸出功率1 602 kW，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到0.325，滿足設(shè)計(jì)要求；風(fēng)速大于12 m/s時(shí)，可通過適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速來維持風(fēng)力機(jī)輸出功率。

水平軸風(fēng)力機(jī)；Glauert設(shè)計(jì)法；風(fēng)能利用系數(shù)；軸向推力

風(fēng)能作為一種可再生的新型能源，具有良好的開發(fā)潛力。2013年全球風(fēng)電新增總裝機(jī)容量達(dá)到35GW，全球累計(jì)裝機(jī)容量更是達(dá)到318.11 GW，同比增長12.5%。2013年全球風(fēng)電新增總裝機(jī)容量達(dá)到35 GW，全球累計(jì)裝機(jī)容量更是達(dá)到318.11 GW，同比增長12.5%。為保障其商業(yè)壟斷利益，風(fēng)能技術(shù)先進(jìn)的國家對研發(fā)的風(fēng)力機(jī)葉片的幾何外形和氣動(dòng)性能實(shí)行保密。我國雖然是風(fēng)電大國，但對風(fēng)力機(jī)葉片的研發(fā)還處于初步階段，這與我國龐大的風(fēng)電安裝容量不相符合。因此研發(fā)氣動(dòng)性能良好的風(fēng)力機(jī)專用翼型和葉片已刻不容緩。

目前風(fēng)力機(jī)葉片外形的設(shè)計(jì)理論主要有：貝茲（Betz）理論、葉素理論、動(dòng)量-葉素理論、Glauert理論和Wilson理論［1］。而葉片設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是選擇氣動(dòng)性能優(yōu)良的翼型，翼型的氣動(dòng)性能直接影響風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的風(fēng)能利用率。SOMERS對NERL的S系列翼型做了一系列的氣動(dòng)性能分析。文獻(xiàn)［2］中對S830做了不同雷諾數(shù)和不同攻角時(shí)翼型氣動(dòng)性能研究，文獻(xiàn)［3］中對S830鈍尾緣和原翼型研究了不同攻角下的氣動(dòng)性能。對于初步設(shè)計(jì)之后的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的研究，由于實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)的昂貴，普遍還是采用半經(jīng)驗(yàn)公式［4］或者數(shù)值模擬方法［5-6］計(jì)算葉片的氣動(dòng)性能。

本文以1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片為研究對象，只考慮氣動(dòng)性能對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先通過Glauert設(shè)計(jì)法法和S830的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)出葉片關(guān)鍵截面參數(shù)，然后運(yùn)用流體分析軟件FLUENT中的k-ω SST湍流模型分析風(fēng)輪的氣動(dòng)性能［7-10］，研究槳距角固定的風(fēng)輪在不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下的輸出功率和軸向推力。

1　風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)狀，風(fēng)力機(jī)的研制與生產(chǎn)主要偏重于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本文設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)額定功率PW=1.5 MW，額定風(fēng)速V1=12 m/s，尖速比λr=7.5，葉片數(shù)目為3個(gè)。

1.1風(fēng)輪直徑確定

（a）求解出風(fēng)輪直徑：式中：Pw——風(fēng)力機(jī)輸出功率，本文選取1.5 MW；Cp——為風(fēng)能利用系數(shù)，在額定風(fēng)速情況下，取0.325；η——發(fā)電機(jī)及齒輪箱的效率，取0.95；V1——額定風(fēng)速，取12 m/s。

本文選取風(fēng)輪直徑為77m。

（b）風(fēng)輪轉(zhuǎn)速確定：

可得到風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速表達(dá)式：1.2關(guān)鍵截面設(shè)計(jì)

使用Glauert法設(shè)計(jì)1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)，通過引入中間變量h和k，省略了反復(fù)迭代的過程，使得求解軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b的方法簡單明了，并設(shè)計(jì)出了滿足要求的葉片。個(gè)截面外形參數(shù)計(jì)算如下：

（a）各個(gè)截面的周速比

（c）計(jì)算入流角

（d）計(jì)算安裝角

1.3確立風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)

葉片徑向r=0.2 R時(shí)截面弦長最大達(dá)到3.18 m，截面弦長沿徑向半徑逐漸減小，葉尖處的弦長為0.92 m，截面具體參數(shù)見表1。

表1　葉片參數(shù)Tab.1　The blade parameters

式中α是翼型最佳攻角。

（e）弦長確定

2　模型建立與邊界設(shè)置

在SOLIDWORKS中生成葉片三維實(shí)體模型，幾何實(shí)體如圖1所示。并在ANSYS14.0的ICEM模進(jìn)行葉片幾何的修整和計(jì)算域網(wǎng)格的劃分。由于本文設(shè)計(jì)的1.5 MW風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑達(dá)到了77 m，計(jì)算流場尺寸非常大，為提高工作效率，本文計(jì)算一個(gè)三分之一圓柱的流場。考慮到風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行時(shí)的流場運(yùn)動(dòng)，將計(jì)算域分為內(nèi)域和外域，將內(nèi)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，外域設(shè)置為靜止區(qū)域。流體進(jìn)口離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面的距離為5倍葉片半徑，流體出口距離旋轉(zhuǎn)平面10倍半徑，葉片徑向遠(yuǎn)場離旋轉(zhuǎn)軸5倍半徑。計(jì)算區(qū)域分布如圖2所示.計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，內(nèi)域網(wǎng)格總數(shù)為569萬，外域網(wǎng)格68萬，如圖3所示。

圖1　葉片實(shí)體示意圖Fig.1　The model of blade

圖2　計(jì)算外域劃分Fig.2　Schematic diagram of calculation domain

圖3　外域網(wǎng)格Fig.3　Grid of out domain

圖4　旋轉(zhuǎn)內(nèi)域域網(wǎng)格Fig.4　Grid of rotary domain

選取k-ω SST湍流模型；在入口設(shè)置為速度入口；出口設(shè)置為壓力出口；內(nèi)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域；外域設(shè)置為靜止域；對于靜止域以及旋轉(zhuǎn)區(qū)域的交界面采用interface來處理；葉片速度無滑移壁面；風(fēng)輪遠(yuǎn)場設(shè)置為固定壁面；兩個(gè)側(cè)面做周期性邊界。來流風(fēng)速低于12 m/s時(shí)，保持尖速比不變，選擇轉(zhuǎn)速；當(dāng)來流高于12 m/s時(shí)，最佳轉(zhuǎn)速的確立需要通過多次調(diào)試選取最佳轉(zhuǎn)速，可采用二分法，提高工作效率。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

本文模擬了6個(gè)不同風(fēng)速下葉片的流場，研究風(fēng)速大小、轉(zhuǎn)速、輸出功率和軸向推力之間的關(guān)系。

3.1流場分析

額定工況下各個(gè)截面上的靜壓分布如圖5所示。葉片徑向截面r=0.4 R、r=0.6 R、r=0.8 R的靜壓分布情況相似，只是數(shù)值大小有差異，葉片周圍沒有出現(xiàn)大規(guī)模的分離流，葉片運(yùn)行流場良好。葉片各個(gè)截面上，翼型前緣部會(huì)出現(xiàn)一個(gè)駐點(diǎn)，這是由于葉片的阻擋，流體相對速度變?yōu)?，速度勢頭全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓力，因此出現(xiàn)一個(gè)壓力比其他位置都高的區(qū)域。由于攻角和相對來流速度的不同，葉片前后面的壓強(qiáng)差值沿著葉片徑向明顯增大，葉片徑向r=0.8 R處葉片前后面的壓強(qiáng)差與葉根r=0.8 R處的壓強(qiáng)大很多，而風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力就是來至于葉片兩個(gè)面上的壓力差，因此風(fēng)力機(jī)葉片葉尖部分的良好設(shè)計(jì)有利于提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)。

圖5　不同截面靜壓云圖Fig.5　Static pressure contour on different section

3.2風(fēng)輪氣動(dòng)性能分析

周向轉(zhuǎn)矩和軸向推力中起主導(dǎo)作用的都是壓力項(xiàng)，粘性力作用不明顯，見表2。周向轉(zhuǎn)矩的組成中，粘性力轉(zhuǎn)矩比壓力轉(zhuǎn)矩低一個(gè)數(shù)量級，且都為負(fù)值，起阻礙風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的作用，而壓力轉(zhuǎn)矩隨著風(fēng)速的增大而增大。而軸向推力的成分中，粘性力的影響幾乎可以忽略。葉片受到的粘性力轉(zhuǎn)矩和粘性力軸向推力都在額定工況時(shí)，達(dá)到最大值，但是黏性作用所占的比例隨著相對來流的增加而降低。

表2　單個(gè)葉片受力與轉(zhuǎn)矩表Tab.2　Force and moment of one blade

根據(jù)（10）式可以計(jì)算出該風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪輸出功率：

式中，P——風(fēng)輪輸出功率（W）；T——轉(zhuǎn)矩（N·m）；n——葉輪轉(zhuǎn)速（r/min）；B——葉片數(shù)。推力系數(shù)計(jì)算公式為：

風(fēng)能利用系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)——發(fā)電機(jī)風(fēng)輪軸向力之和；

圖6　不同風(fēng)速下功率曲線Fig.6　Wind power under different wind speed

圖7　風(fēng)能利用系數(shù)曲線Fig.7　Wind power coefficient

圖8　不同風(fēng)速下推力曲線Fig.8　Axial force under different wind speed

圖9　推力系數(shù)曲線Fig.9　Axial force coefficient

風(fēng)輪輸出功率與風(fēng)速大小密切相關(guān)，隨著風(fēng)速的增加，功率迅速增加。在風(fēng)速達(dá)到12m/s時(shí)，風(fēng)輪輸出功率為1 602 kW，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)輸出功率要求的1 579 kW，兩者誤差僅為1.4%。該風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)先增大后減小，這是由于本文模擬的風(fēng)輪葉片的槳距角是固定的，因此在設(shè)計(jì)風(fēng)速12 m/s時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)最高，達(dá)到0.325。風(fēng)速13～14 m/s時(shí)，可以通過適當(dāng)降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，保持風(fēng)輪輸出功率穩(wěn)定在1 579 kW左右，而軸向推力也因?yàn)樾D(zhuǎn)速度的減小略有下降，這個(gè)特性可以保護(hù)在高風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)力機(jī)葉片。軸向推力推力系數(shù)在小于12 m/s時(shí)逐漸增加，而在13～14 m/s時(shí)迅速降低。總之，本文設(shè)計(jì)葉片已基本滿足設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能要求，可為風(fēng)力機(jī)葉片外形設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

4　結(jié)論

本文采用SST模型模擬設(shè)計(jì)的1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片在不同風(fēng)速下的流場。通過對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的分析，得到以下結(jié)論：

（1）風(fēng)力機(jī)額定工況運(yùn)行時(shí)，葉片運(yùn)行流場良好，葉片吸力面沒有出現(xiàn)大的分離流，風(fēng)輪輸出功率達(dá)到1 602 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)最高達(dá)到0.325。

（2）來流低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪輸出功率隨風(fēng)速的增大迅速增大；來流高于額定風(fēng)速時(shí)，只要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，就可以維持風(fēng)輪輸出功率，而不需要經(jīng)過復(fù)雜的變槳距角系統(tǒng)，調(diào)整輸出功率。

然而本文對于風(fēng)速低于12 m/s時(shí)，沒有對葉片槳距角進(jìn)行優(yōu)化，使得低速時(shí)風(fēng)輪的風(fēng)能利用效率不高。而且本次研究局限于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)性能，沒有考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動(dòng)噪聲等因素的影響，今后的葉片設(shè)計(jì)需要綜合考慮各個(gè)因素。

［1］SOMERS D M.The S830，S831，and S832Airfoils［R］.NREL/SR-500-36339，2005.

［2］張旭，李偉，邢靜忠.相對彎度對鈍尾緣改型提升翼型氣動(dòng)性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（8）:214-219.

［3］趙丹平，徐寶清.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2011.

［4］DAI J C，HUB Y P，LIU D S.Aerodynamic loads calculation and analysis for large scale wind turbine based on combining BEM modified theory with dynamic stall model［J］.Renewable Energy，2011，36:1 095-1 104.

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Design and Aerodynamic Performance Analysis of 1.5MW Wind Turbine Blade

XU Chao1，ZHANG Zhao-de1，YU Xiao-long2
（1.School of Ship and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co Ltd，Zhoushan316101，China）

As the key component of wind turbine，and the energy catching efficiency of wind turbine is determined by aerodynamic performance of the blade.The 1.5MW horizontal axis wind turbine blade is designed with the method of Glauert theory.And the aerodynamic performance of the blade is simulated by the software of FLUENT under the k-w SST turbulent model and periodic boundary.Then，the moment and axial thrust of the turbine with fixed pitch angle are analyzed at different wind speeds.The results show that the output power of the turbine is 1 602 kW under the designing condition，and the wind energy catching coefficient is 0.325.The performance of the turbine can meet the design requirements.When the wind speed is greater than 12 m/s，the output power of the wind turbine can be well maintained by reducing the rotational speed.

horizontal axis wind turbine；Glauert design model；wind energy utilization coefficient；axial thrust

TK83

A

1008-830X（2015）02-0145-06

2014-10-25

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51379189）

徐超（1988-），男，浙江海鹽人，碩士研究生，研究方向：風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能與噪聲分析.E-mail:zhsxuchao@163.com

張兆德.E-mail:zzd@zjou.edu.cn