風力機葉片葉根優化方法研究

李杰，尹景勛，鐘賢和

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

風力機葉片葉根優化方法研究

李杰，尹景勛，鐘賢和

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

利用CFD商用軟件對葉根優化前后的兩支葉片進行數值模擬，通過對比分析發現，葉根優化后，葉片的氣動性能明顯增加。考慮到葉片與輪轂、機艙、塔架的相互關系，將葉根進行適當的調整，最終使發電量增加1.5%。為機組的優化設計以及后期葉片改造提供依據。

風力機，葉片，葉根優化，數值研究

0 引言

隨著風力發電技術的日益成熟和廣泛應用，大功率兆瓦級風力機已成為企業的主流產品，其空氣動力學和結構特性優化設計也成為了國內外很多學者的研究重點[1]。而風輪作為風力機的主要組成部分，其成本占到整個風力機組的20%左右，同時風輪也是風力機捕獲風能的關鍵部件[2]。對于葉片的優化設計研究，國內外有很多學者從不同方面進行了研究。

本文以風力機空氣動力學理論為基礎，通過對原始葉片的形狀參數進行優化設計，采用CFD商用軟件對葉根優化前后的兩支葉片進行數值模擬，對比其氣動特性，分析模擬結果的流動細節，并詳細比較了葉根改造前后葉片的流場變化趨勢，分析葉根弦長增大后葉片性能增加情況。考慮到葉片與輪轂、機艙、塔架的相互關系，將葉根進行適當的調整，最終使發電量增加1.5%。為機組的優化設計以及后期葉片改造提供理論依據。

1 模型介紹

圖1 DF77D葉片

為改善DF77D葉片的性能，現對DF77D進行理論研究。由于葉片幾何參數直接影響葉片的性能，其中弦長對葉片性能影響較大，現通過增大葉根弦長的方法達到葉片增升的目的，對比外形改變前后的功率、扭矩、推力以及流場情況，探討葉片優化改造的方法。

DF77D及改造后的葉片DF77D-root的弦長如圖2所示。圖中 “Schmitz”表示用Schmitz理論計算出來的弦長。

圖2 DF77D葉片葉根改型前后弦長對比

2 數值方法

采用NUMECA的FINETM/TURBO軟件包對DF77D以及葉根優化的葉片進行數值模擬。該軟件采用時間相關法求解雷諾平均NS方程、中心節點的有限體積離散，顯式龍格-庫塔時間積分、全多重網格初場處理和多重網格迭代加速，以及低速流動的預處理技術等。湍流模型選用普遍用在工業流體動力學問題分析的SA模型[3]。

2.1 網格介紹

三維葉片網格自動生成：在導入葉片幾何、指定葉片數目與轉速、指定計算域大小與網格分布后，即可完成網格的自動生成和邊界條件的自動設置。根據流動的周期性，三葉片風力機計算域大小為120°圓柱，如圖3所示。

圖3 計算域及網格局部放大圖

計算網格總數約為290萬，上下游各10倍葉高，徑向6倍葉高，翼型弦向網格數161，葉片展向網格數81。葉片表面絕大部分Y+均小于3。

2.2 邊界條件

一天晚上，老同學聚會，馮一余喝了點酒，請代駕把車開回來，已經沒地方停車了，就停到大街上，代駕打車走了。他自己一路走回去，被夜風一吹，有點興奮，干脆繞著小區散起步來。繞了一圈，發現路邊一輛車里好像有個亮點，沒怎么在意；又繞了一圈，那個亮點還在，他還是沒當回事；再繞一圈，還是這樣，他終于忍不住了，湊近了看看，一看之下，嚇了一跳，竟是小區的物管經理老崔，坐在車里抽煙呢。

計算域外邊界給定進、出口邊界條件：來流側給定速度分量和大氣溫度，其余計算域邊界給定大氣壓力，大氣溫度293 K，大氣壓力101 325 Pa，如圖3所示。葉片壁面為無滑移邊界，輪轂采用歐拉邊界。

2.3 湍流模型

湍流模型選用S-A模型。

2.4 收斂準則

各塊殘差：每個塊的殘差下降3個量級以上。

總體參數：總體性能參數 （如推力，扭距等）不再隨迭代步數而變化，如圖4所示。在大分離情況下，計算以性能參數呈周期性變化為收斂。

全局殘差:全局殘差下降3個量級以上。

各區塊殘差下降3個量級以上。低風速時總體性能參數達到穩定，高風速時由于流動分離尺度較大，總體性能參數呈周期性變化。

圖4 總體殘差及功率收斂曲線

3 數值計算結果分析

3.1 計算結果確認

采用上述數值方法對DF77D以及葉根改進的葉片DF77D-ROOT在風速為5 m/s、8 m/s、10.8 m/s、15 m/s和20 m/s的情況下，分別對其進行數值模擬，計算結果與DF77D原始設計的軸功率數據（動量葉素理論）以及功率系數進行對比，如圖5所示，其中 “Design”表示葉片原始設計數據，“DF77D”和 “DF77D-ROOT”分別表示DF77D葉片及DF77D-ROOT葉片數值計算結果。

圖5 軸功率與功率系數曲線對比

從圖5可以看出，在所研究的風速范圍內，兩支葉片數值計算的軸功率和功率系數與葉片原始設計功率數據和功率系數趨勢一致，數值計算結果與設計功率值吻合良好，葉根弦長增大之后的計算結果明顯高于DF77D葉片。

由于計算涉及到風速、截面翼型較多，所以只選用位于葉片展向6 m位置截面的數值計算結果作為研究對象，定性分析壓力分布特性和流場細節，其他截面的流場特性不在文中贅述。

3.2 壓力分布

由于葉根優化前后的兩支葉片均為變截面扭葉片，各個截面的翼型弦長扭角均不相同，對于均勻來流的情況各個截面流場、翼型攻角、壓力分布等也不相同，現以葉片展向6 m截面翼型為主要研究對象，對比分析兩支葉片壓力分布特性。數值計算壓力系數通過式（1）求得。

其中：p為翼型表面的壓力，Pa；p0為來流靜壓，Pa；U∞為來流速度，m/s；Ω為風輪轉速，rad/s；r為截面到輪轂中心的距離，m。

根據式（1）計算得出不同風速下的葉片各截面翼型壓力系數分布，如圖6所示。圖中黑色十字型曲線為DF77D計算結果，紅色三角型曲線為DF77D葉根弦長增加后的計算結果。

圖6 6 m截面在不同風速下的壓力系數分布

根據式（1）計算得出葉根優化前后兩支葉片在不同風速下的葉片6 m截面翼型的壓力系數分布，如圖 6所示，可以看出：在相同的風速下，DF77D-ROOT葉片壓力測駐點比DF77D葉片靠后，吸力側吸力峰值較DF77D葉片小，但是由于DF77D-ROOT葉片弦長較大，使得上下翼面的壓力差也較大，即DF77D-ROOT葉片出力較大。

4 現場實施

考慮到現場實施，將葉根弦長適當調整，使葉片與輪轂、機艙以及塔架不干涉，調整后的葉片外形如圖7所示。該整機的年發電量增加1.5%。

圖7 葉片壁面極限流線及葉根局部放大圖

將葉根到最大弦長附近的部分按調整后的弦長方案制作一個模具，可應用于葉片后期改造。

5 結論

采用CFD軟件對DF77D及其葉根改造后的葉片進行三維定常數值模擬研究。通過對比數值計算的結果，分析葉根改造前后葉片的氣動特性，結果顯示：葉根弦長增加后，改善了葉根部分葉片的流場特性，使得葉片的Cp增加約1.6%。考慮到現場實施，將葉根弦長適當調整，使葉片與輪轂、機艙以及塔架不干涉，則整機的年發電量增加1.5%。

[1]王旭東.風力機翼型通用型線理論及葉片形狀優化設計[D].重慶:重慶大學,2005.

[2]陳進,王旭東,沈文忠,等.風力機葉片的形狀優化設計[J].機械工程學報,2010,46（3）：131-134.

[3]范忠瑤,康順,王建錄,等.風力機葉片三維數值計算方法確認研究[J].太陽能學報,31（3）：279-285.

[4]Rauch J,Kr?mer T,Heinzelmann B,et al.3D numerical simulation and evaluation of the air flow through wind turbine rotors with focus on the hub area[C].In:Peinke J, Schaumann P,Barth S.Wind Energy.Berlin,Springer Verlag:2007:227-230.

[5]B S Heinzelmann,Gollnick,U Thamsen,et al.Investigations into boundary layer fences in the hub aera of wind turbine blades[C].Proceedings of the European Wind Energy Conference and Exhibition,2008.

[6]Rogers SE,Kwak D,kiric C.Steady and unsteady solutions of the incompressible Navier-Stokes equations[J].Aiaa Journal,2012,29(4):603-610.

[7]Hanjalic K,S Kenjeres.Some developments in turbulence modeling for wind and environmental engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2008,96 (10-11):1537-1570.

[8]NUMECA,User Manual FINETM/Turbo v8[Z].2007.

Study on Optimization Method of Wind Turbine Blade Root

Li Jie，Yin Jingxun，Zhong Xianhe

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

By using the CFD software,numerical study on the blades about the different root(before and after optimization)has been carried out.Through comparison and analysis,the aerodynamic performance of the blade is obviously increased after the optimization of the blade root.Considering the relationship between the blade and the hub,nacelle,tower,the blade root is adjusted appropriately,ultimately enable the amount of power increase 1.5%.The results will be referenced for design optimization of wind turbine and blade modification.

wind turbine,blade,root optimization,numerical study

TK8

A

1674-9987（2017）01-068-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.014

李杰 （1983-），女，碩士，工程師，2009年畢業于華北電力大學流體機械及工程專業，現從事風力機葉片設計工作。