預彎對風電葉片氣動性能的影響

尹景勛，李杰

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

預彎對風電葉片氣動性能的影響

尹景勛，李杰

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

以DF77葉片為原型，通過改變葉片的預彎曲線，分別得到預彎1.35 m、無預彎、預彎-1.35 m 3種葉片模型。通過CFD數值模擬3種不同預彎葉片的流場，分析葉片預彎程度對風電葉片氣動性能和出力的影響。通過3種方案結果分析表明，無預彎的葉片功率最大。根據理論分析結果，展望葉片預彎值的設計方法，使葉片運行時達到最佳出力狀態。關鍵詞：風電葉片，預彎，氣動性能，數值計算

0 引言

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。在風力機運行過程中，由于風壓的作用使得葉片發生彈性撓曲，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較少[2]。

轉動葉片幾何預彎的目的主要是避免運動干涉。具體來講，葉片迎風受力旋轉所形成的旋轉曲面形狀往往會隨風力載荷的變化而變化，為了避免葉片與塔筒間的運動干涉，在設計時把葉片進行了幾何預彎處理。這樣一方面可以降低葉片局部應力集中載荷；另一方面，剛度相對降低帶來生產葉片原材料和工藝輔助材料的節省，達到減輕葉片重量和降低成本的目的[3]。另外，由于前傾預彎葉片可增大葉片與塔架之間的凈空距離，在風輪旋轉或強風時不會碰到塔架。結合風輪傾角和錐角的存在，可縮短機組的主軸長度，使風輪與機艙更加緊湊，從而提高風機的穩定性[4]。在正常情況下，葉片旋轉時會彎向塔架，彎曲后的葉片掃風面積變小，發電量也隨之減小，而預彎設計可使葉片增大掃風面積，提高發電量。

本文中并未考慮葉片是柔性的，假設葉片為剛體來進行流場計算分析。通過對葉片的預彎曲線進行修改，預彎從葉片根部開始，最大預彎值分別為1.35 m，0，-1.35 m。針對3種預彎葉片模型進行數值模擬，研究預彎對葉片氣動性能及出力的影響。通過預彎數值計算分析，提出一種設計預彎的方法。

1 模型及數值方法

1.1 幾何模型

以DF77葉片原型為基礎，DF77葉片長37.5 m，最大弦長3.183 m，總扭角16°。適用于1.5 MW變速變槳風力發電機組，最大功率系數0.48，葉片的幾何外形如圖1（a）所示。

為了分析預彎對葉片氣動性能的影響，將DF77葉片預彎進行修改，一種方案是原始葉片預彎值為1.35 m，如圖1（a）所示；另一種方案DF77葉片取消預彎，即為無預彎葉片，如圖1（b）所示；第三種方案將預彎改為-1.35 m，即葉片朝塔架方向彎曲，如圖1（c）所示。

圖1 葉片幾何模型

1.2 數值方法

CFD數值模擬假設葉片為剛體不考慮葉片的變形[5]。CFD數值模擬采用一方程湍流模型Spalart-Allmaras，求解方法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。

1.3 網格介紹

三維葉片網格由AutoGrid5TM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2所示。

圖2 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。

1.4 邊界條件

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，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。其余計算域邊界給定大氣壓力，見圖2。葉片壁面為無滑移邊界，輪轂采用歐拉邊界[6～8]。

2 計算結果及分析

2.1 功率計算

1.5 MW風力發電機組為變速變槳風機，其運行曲線主要可以分為4個區域（見圖3）：最低轉速區域（I區）：風輪轉速穩定在最小轉速，葉尖速比（TSR）隨風速增大而減小，功率系數Cp在最大功率系數以下。最佳運行區域 （II區）：槳距角保持不變，風輪轉速隨風速成正比增加，機組運行在設計葉尖速比，Cp保持最大值。次最佳運行區域（III區）：轉速達到額定值，不再隨風速增加，槳距角仍然保持不變，葉尖速比隨風速增大而減小，Cp開始下降。額定功率區域（IV區）：轉速和功率均維持在額定值，槳距角隨風速增大而增大，Cp降低。

圖3 機組運行區域劃分

根據上述變速變槳機組運行特性，數值模擬上述3種預彎葉片的氣動性能。邊界條件風速分別為5 m/s（最低轉速區）、8 m/s（最佳運行區）、10.8 m/s（次最佳運行區）、15 m/s（額定功率區）和20 m/s（額定功率區）的情況，計算出各個風速下對應的轉矩（見表1），根據式（1）計算出風輪的輸出功率。

其中： P為輸出功率，kW； T為風輪轉矩，N·m；n為風輪轉速，r/min。

表1給出了3種不同預彎葉片在不同風速下數值計算得到的風輪轉矩和功率，可以看出，隨著風速增加，3只葉片的轉矩和功率值呈增加的趨勢，但在20 m/s的風速下卻略顯降低，與葉片的槳距角20.3°過大有關，從數值模擬的結果看，該風速下槳距角應該適當降低，使風輪吸收風能達到滿發狀態。另外，從表1中還可看出，在相同風速下，無預彎葉片的轉矩和功率值最大。考慮到實際葉片的柔性特性，在正常運行情況下，葉片旋轉時會彎向塔架，無預彎的葉片彎曲后掃風面積變小，發電量也隨之減小 （無預彎與預彎-1.35 m對比結果）；而預彎葉片變形后可使葉片增大掃風面積，提高發電量 （預彎1.35 m與無預彎對比結果）。

圖4給出不同預彎葉片情況下功率的對比結果，從中可看出：僅從葉片預彎方面考慮，預彎值對風電機組的輸出功率影響很大。以無預彎葉片功率值為基礎，當風速低于額定風速時，預彎1.35 m的葉片功率下降在0.5%內，預彎-1.35 m的葉片比無預彎葉片功率降低3%左右；當風速高于額定風速時，預彎1.35 m葉片功率下降1.8%左右，預彎-1.35 m葉片功率下降高達11%左右。由此可見，在所研究的幾個工況下，無預彎葉片的功率始終大于預彎葉片，隨著風速的增加，功率誤差值逐漸增大，見式（2）。

式中：γ為相對誤差，P0為無預彎葉片在各個風速下計算的功率。

圖4 功率變化曲線對比

表1 3種不同預彎的葉片轉矩和功率對比表

為了鮮明對比，選取2個特征風速工況10.8 m/s和20 m/s下的數值模擬結果作為研究對象，下面將對其進行定性和流場細節分析。

2.2 壓力系數分布

以葉片展向20%、50%和80%3個截面翼型為主要研究對象，對比分析3種不同預彎葉片壓力分布特性，其中壓力系數可通過式（3）求得。

其中：p為翼型表面壓力，Pa；p0為來流靜壓，Pa；ρ為氣體密度，1.225 kg/m3，U∞為來流速度；ω為風輪轉速；r為截面到輪轂中心的距離。

根據式（3）計算得出不同風速下3種預彎葉片各截面壓力系數分布，理論上講，葉片運行時存在攻角，因此駐點一般在前緣壓力側，此處速度為零，壓力最大，沿壓力側向后緣移動，速度先增大后減小，壓力先減小后增大，壓力系數先減小后增大；駐點沿壓力面向前緣及吸力側后緣移動，速度先增大后減小，壓力先減小后增大，在吸力側靠近前緣某處速度達到最大，此時壓力達到最大負壓，此處達到最大負壓力系數值，此后壓力逐漸回升，在后緣處接近壓力側壓力值。

從圖5可以看出：在相同風速下 （10.8 m/s），越靠近葉尖，截面翼型的壓力差越大，即靠近葉尖的翼型出力較大，這一點與設計相符。對于特定風速特定截面，可以看出，不同預彎葉片截面翼型壓力側壓力分布絕大部分重疊，趨勢一致，數值上只有微小的差別，但是從吸力側的壓力分布曲線可以明顯地看出，無預彎的葉片截面吸力面的壓力較低，吸力峰值最大，預彎1.35 m葉片次之，預彎-1.35 m葉片壓力最大，因此無預彎葉片的壓差較大，使得無預彎的葉片功率較高。另外，其他風速、各截面翼型計算結果同樣滿足這一趨勢。

圖5 各截面翼型壓力系數分布

2.3 極限流線

葉片吸力側的壁面極限流線可以反映分離點的位置，圖6給出了10.8 m/s風速下3種不同預彎葉片的壁面極限流線圖，通過比較發現：該風速下，無預彎的葉片吸力面分離較晚，預彎1.35 m葉片次之，預彎-1.35 m葉片吸力面分離提前，分離區域較大，這也是預彎葉片引起功率降低的主要原因。同時葉片的壁面極限流線還反映了葉片三維邊界層的影響：分離區內二次流動在離心力作用下向葉尖處傾斜，而科氏力則使葉片產生一個附加的弦向壓力梯度，使葉片邊界層中的氣流向后緣處流動并發生失速延遲。

圖6 葉片吸力側葉根局部放大圖

3 結論與展望

3.1 結論

采用CFD軟件對預彎1.35 m、無預彎和預彎-1.35 m的3種葉片在不同的風速條件下進行三維定常數值模擬。通過數值計算對比不同狀態下風輪轉矩結果，并通過理論計算得到風輪功率，同時分析不同來流風速條件下的葉片三維流場，結果表明：

（1）從葉片預彎方面考慮，無預彎葉片的功率始終大于預彎葉片，在相同風速下，無預彎葉片的轉矩和功率最大，隨著風速的增加，功率誤差值逐漸增大。當風速低于額定風速時，預彎1.35 m和預彎-1.35 m葉片功率分別比無預彎降低0.5%和3%左右；當風速高于額定風速時，預彎1.35 m和預彎-1.35 m葉片功率分別比無預彎降低1.8%和11%左右。；

（2）考慮到葉片剛度和柔性特點，在機組正常運行時，葉片受到軸向推力作用而變形。無預彎的葉片變形后掃風面積變小，發電量隨之減小；而預彎葉片變形后可使葉片掃風面積增大，提高發電量。因此，葉片設計時需要選取合理的預彎值，盡量使葉片彎曲后變為直葉片，以達到掃風面積增大的情況，但如果葉片彎曲變形過大，則發電量將迅速降低。

（3）目前風電大功率機組均為變槳型，機組承受的推力在額定風速時達到最大，此時葉片面外的變形量也最大，所以葉片預彎設計時需要綜合考慮變形和剛度的問題，保證葉片正常發電時處于比較直的位置，提供額定風速前的風能吸收，達到提高發電量的目的。

3.2 展望

根據葉片預彎程度對出力性能的影響，可歸納出預彎對機組設計有兩方面好處。一方面可以增加葉片尖部與塔筒之間的凈空距離，保證機組運行時不會與塔筒干涉；另外一方面預彎葉片運行時可以增加風輪的掃風面積，隨著葉片長度的增加柔性也越來越大，如果葉片設計成預彎的話，機組運行起來葉片變形促使葉片長度增加。根據葉片設計適用風區的情況，設計葉片預彎量的大小，保證葉片在額定風速前的出力性能最好。

葉片預彎可根據懸臂梁理論和每個風速下的軸向推力，再結合葉片的一階揮舞模態變形進行設計，保證葉片最大變形后葉片處于比較直的位置。風力機葉片承受分布式軸向推力載荷作用，分布載荷可以看作由作用在各葉素段上的載荷所組成，因此，在該載荷作用下，計算葉片的變形來設計葉片預彎程度。根據懸臂梁理論，葉根r處的葉素段在軸向推力作用下，葉片自由端撓度為：

式中：dT為作用在葉素段上的軸向推力，N；R為葉片半徑，m；r為當地半徑，m；EI為彎曲剛度，Nm2；

圖7 預彎葉片示意圖

圖7給出了葉片的預彎變形情況，通過式（4）計算葉片的變形量，計算過程大致分為以下幾步：

（1）根據葉片初步模型，使用Bladed軟件計算正常發電工況下各風速下軸向推力情況；

（2）根據式（4）計算各風速軸向推力下的變形情況；

（3）結合步驟（2）的計算結果調整葉片各截面的剛度和變形情況，保證葉片運行風輪掃風面積是最大的；

（4）重復以上步驟，保證葉片在設計風區下，額定風速前正常運行時變形成直葉片。

通過數值計算和理論分析，用反向分析方法對葉片的預彎值進行設計，總體思想是提高葉片的出力性能，以此提供一種葉片預彎的設計方法。

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東方與中國成達公司舉行印尼Kaltim 2項目合同簽字儀式

東汽要聞

3月10日，中國成達工程有限公司、東方汽輪機、東方電機、東方鍋爐在東汽八角基地生產服務大樓隆重舉行印尼Kaltim 2（2×125 MW）項目三大主機合同簽字儀式。

成達與東方從2002年的印尼芝拉扎2×300 MW項目開始，就建立了良好的合作伙伴關系。2015年至今，先后成功合作了印尼拉布灣2×300 MW項目、印尼吉利普多2× 125 MW項目、越南沿海三期2×622 MW項目。多年來，雙方攜手并進，共同成長，共同開拓海外市場。此次印尼Kaltim 2（2×125 MW）項目合同的簽訂，是雙方友好合作的又一有力見證。雙方還將攜起手來，在海外市場再建新功！

公司簽訂京能秦皇島開發區2×350 MW熱電聯產項目合同

3月10日上午，京能秦皇島開發區2×350 MW熱電聯產項目汽輪機設備采購合同簽字儀式在公司舉行。

京能秦皇島開發區2×350 MW熱電項目位于河北省秦皇島市，為新建大型熱電聯產項目，由北京能源投資 （集團）有限公司投資。本期工程新建2×350 MW國產、燃煤、超臨界、一次中間再熱、抽凝式、間接空冷機組，同步建設煙氣脫硫設施和煙氣脫硝設施。電廠容量按照4×350 MW間接空冷機組進行規劃。

此次簽約成功體現了京能集團對東汽供熱機組的信任，也進一步加強了雙方的合作關系。

Effect of Pre-bending on Aerodynamic Performance of Wind Turbine Blade

Yin Jingxun，Li Jie

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

By changing the pre-bending curve about DF77 blade,three kinds of blade that 1.3 m pre-bending,no pre-bending and -1.35 m pre-bend are based on DF77 are obtained respectively.Then,CFD numerical simulation of the flow field in different precurved blades has been carried out,and the effect of the pre-bending on the aerodynamic performance of the wind turbine blade has been analyzed.The results show that the power of no pre-bending blade is better than bend blade.According to the theoretical analysis results,the design method of the blade pre-bending value is discussed,and the blade has an optimum output performance.

blade,pre-bending,aerodynamic performance,numerical simulation.

TK8

A

1674-9987（2017）01-078-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.016

尹景勛 （1982-），男，碩士，工程師，現主要從事風電機組系統仿真工作。