覆冰對風力發電機葉片氣動性能影響的仿真研究

朱貴森, 鄭長川

(1.烏海職業技術學院,內蒙古自治區 烏海 016000; 2.海勃灣發電廠,內蒙古自治區 烏海 016000)

覆冰對風力發電機葉片氣動性能影響的仿真研究

朱貴森1, 鄭長川2

(1.烏海職業技術學院,內蒙古自治區 烏海 016000; 2.海勃灣發電廠,內蒙古自治區 烏海 016000)

覆冰對風力發電機葉片會造成一定的傷害，為了研究覆冰對風力發電機葉片氣動性能的影響，使用κ-ε紊流模型對NACA 23012翼型進行了仿真分析，著重分析了在40°攻角情況下翼型覆冰前后的氣動性能，發現該翼型在仿真條件下升力明顯減小、阻力增大，升阻比由覆冰前的1.594下降到了覆冰后的0.7，機翼附近的壓強云圖顯示翼型上表面已形成了渦流區域，說明空氣動力性能發生惡化，翼型產生了失速現象。同時對比了覆冰前后翼型附近的壓強、空氣速度，仿真結果表明覆冰的存在是翼型周圍的空氣壓強、速度場畸變得更嚴重。

覆冰； 風機葉片； 氣動性能

0 引 言

由于特定季風氣候、地形地理條件，我國可利用風力資源地區集中在東北、華北、西北(“三北”)以及東南沿海地帶，具有很大的商業開發價值。寒冷的冬春季節，“三北”地區的平均氣溫在零度以下，在雨雪天氣中，空氣中的過冷卻水滴在風力作用下撞擊在風輪機葉片上形成覆冰[1]。覆冰改變了風機葉片的線型輪廓，使葉片的空氣動力性能惡化，進而導致風輪機力矩不足以帶動風力發電機在額定狀態在運行，導致電能減產，覆冰嚴重的情況下將導致葉片變形甚至風機損毀，大塊覆冰脫落導致的葉片振動也會對風力發電機葉片產生危害。

葉片覆冰外形與攻角、空氣中過冷卻水的含量、風速等因素均有關系，可以通過數值模擬的方法選擇符合自然環境下的控制參數獲得翼型覆冰外形[2]。

隨著風電快速發展，國內研究者對該問題的研究集中在通過選用合適的紊流模型和計算流體力學方法，對不同風機翼型、不同覆冰形態的空氣動力性能進行仿真，普遍得到覆冰使葉片空氣動力性能惡化的結論[3-8]。挪威、加拿大、日本等研究者更加注重探討影響葉片覆冰的因素，并嘗試使用三維模型、完善算法結合風洞覆冰試驗結果對葉片覆冰進行分析[9-13]。

本文分析了覆冰對風力發電機葉片氣動性能的影響，通過仿真軟件使用κ-ε紊流模型分析葉片覆冰前后升力、阻力的變化，分析這種變化產生的后果以及提出相應的解決方案。研究覆冰對風機葉片氣動性能的影響，對防止覆冰事故有著一定的指導意義。

1 風力發電機葉片的氣動性能

1.1 相關概念

風力發電機葉片通過捕捉風能并將其轉換成機械能，通過齒輪箱增速帶動發電機發電。風能與風速的3次方成正比，當風速較小時不能正常啟動。風輪機的轉速取決于葉片受力的大小，風吹向葉片時，葉片同時受到升力和阻力的作用，來風方向與葉片中線的夾角稱為攻角。

翼型的選擇對風力發電機的效率有很大影響，使用具有較高升阻比的翼型的風力發電機效率越高。目前，水平軸風力發電機葉片使用的翼型主要有航空翼型及其修正翼型[13]，如NACA系列、NASA LS系列；也有專門的風力機翼型，如美國的NERL S系列、荷蘭的DU系列等。本文選用NACA 23012翼型進行覆冰前后的空氣動力性能分析。

風力利用系數是風輪機將風能轉換為機械能的效率，是風速、葉片轉速、葉片直徑和槳距角有關的函數。貝茨理論指出理想風輪的最大風能利用系數為0.593。

1.2 風力發電機葉片的氣動性能

翼型的氣動性能是指翼型在與氣體發生相對運動的過程中，氣體的流動特性對翼型升力、阻力的影響。氣動性能發生惡化，風輪機不能獲得足夠的力矩帶動發電機正常發電，嚴重情況下風輪機將出現失速現象產生一系列后果。

失速現象是指當攻角超過某一臨界值，翼型附近的其他流動狀況發生惡化，邊界層受到破壞，在葉片背面尾端出現渦流區。一般情況下，攻角超過臨界值越多，產生的失速現象越嚴重，氣體的流動阻力越大。葉片失速導致平衡狀態破壞，葉片受到的應力增加，不及時糾正則可能發生葉片斷裂事故。

2 覆冰對風力發電機葉片氣動性能影響的仿真研究

2.1 仿真模型

風力發電機在寒冷的雨雪天氣中運行過程中空氣的雷諾系數大，當雷諾系數大于10 000則可視為完全紊流。標準的κ-ε模型是一個半經驗模型[14]，其有兩個基本方程，一個是湍動能κ的傳輸方程，另一個是擴散率ε的傳輸方程，適用于完全紊流流動。因此本文選用該模型作為葉片覆冰仿真所用的紊流模型。

2.2 覆冰前后葉片升阻力的變化

本文使用標準κ-ε模型對NACA 23012翼型進行覆冰前后的氣動性能仿真，該翼型的設計升力系數為0.3，最大彎度位置為翼型的0.15倍弦長處，中弧線為簡單型，相對厚度為12%。分析該翼型在覆冰前后升力、阻力以及翼型附近其他參數的變化。現以攻角為40°為例，說明覆冰對葉片空氣動力性能的影響。

本文所有仿真都是在表1所示基礎上完成的。

表1 仿真分析條件

覆冰前后的網格圖如圖1所示

圖1 覆冰前后翼型的網格圖(上圖覆冰前，下圖覆冰后，下同)

對翼型外部繞流問題需要定義一個邊界，邊界離翼型越遠則邊界對流動的影響越小，計算越精確。本文中，邊界離翼型的距離為10倍翼型弦長。對覆冰前后的翼型使用同樣的方法進行劃分，網格劃分得足夠密集以滿足計算精度的要求。

(1) 覆冰前后翼型升力、阻力的變化。使用Gambit將網格劃分好之后導入Fluent軟件，選擇κ-ε模型以及設定好其他相關參數。進行迭代計算，迭代收斂后可以得到翼型的升力報告和阻力報告。結果顯示，在攻角為40°風速為10 m/s時，翼型覆冰前的升力為93.28 N，阻力為58.5 N；覆冰后，翼型的升力下降為44.26 N，阻力上升為63.19 N；升阻比由覆冰前的1.594下降為覆冰后的0.7。翼型的升力驟然下降、阻力加大，這說明覆冰已經使葉片進入了失速狀態。

(2) 覆冰前后翼型表面壓力分布。覆冰前后翼型上下表面的壓力并沒有明顯的變化，翼型迎流方向上表面空氣流速大，壓強小，由于空氣來流在翼型的前部已經發生分離，翼型上表面中部和尾部壓力受來流影響已不大，因此導致翼型尾部上下表面的壓力趨于一致(見圖2)。

圖2 覆冰前后翼型表面的壓力分布圖

(3) 覆冰前后翼型附近的壓強云圖。攻角為40°時，來流在翼型下表面前端形成高壓區，同時下表面相對上表面都是高壓區域，此時機翼附近的壓強云圖如圖3中的上圖。覆冰后，由于覆冰外形的影響，高壓區出現在覆冰區域所在的翼型前端，翼型下表面的壓強也明顯小于該區域的壓強。并且在翼型的上表面區域出現了渦流區，致使外部空氣向內流動，空氣動力性能發生惡化，增大了翼型的阻力，翼型產生失速現象。

(4) 覆冰前后翼型附近的速度云圖。覆冰前翼型周圍空氣最大流動速度為17.5 m/s，同樣由于覆冰形狀的影響，附近空氣局部最大速度達到了19.3 m/s，但這翼型微小區域的速度增大并沒有改善翼型的氣動性能。由于覆冰的存在，被覆冰擋住來流的覆冰后部區域的空氣流動變得異常混亂，翼型上表面尾部空氣流動速度有小范圍減小(見圖4)。

(5) 覆冰前后翼型附近的壓強、氣流速度變化。對比了覆冰前后翼型附近的壓強、速度，其中的壓強數值是相對于標準大氣壓強的數值，可以發現，覆冰后翼型周圍空氣的壓強最大值有顯著增大，壓強最小值也有增大，空氣最大流速也稍有變大。這都是由于覆冰造成的。盡管數值有所增大，但這些只是翼型附近的某個點的數值，并不反映整個翼型的受力狀態。覆冰沒有使翼型的氣動性能變得更優，相反，覆冰使翼型周圍的壓強和速度場畸變更加厲害。

圖3 覆冰前后翼型附近的壓強云圖

圖4 覆冰前后翼型附近的速度云圖

表2 覆冰前后翼型附近的壓強、速度比較

3 結 語

本文使用κ-ε紊流模型研究了覆冰對風力發電機葉片氣動性能的影響，發現在這種特定的覆冰外形以及40°的來流攻角下，翼型將發生失速事故。此時需要朝葉片迎風面積增大的方向調節槳距角以及時恢復風輪機正常運行所需的氣動性能。在相同仿真條件下，對覆冰前后翼型附近的壓強、空氣速度也做出了比較，發現覆冰的存在是翼型周圍的空氣壓強、速度場畸變得更嚴重。

由仿真結論可知，覆冰使翼型的氣動性能發生惡化，在這種特定的條件下，如果不調節槳距角使葉片迎風面積增大，風輪機將發生失速事故。若氣動性能已經足夠惡化，調節槳距角也并不一定能讓風輪機回復正常運行、發電機達到額定發電狀態，此時風輪機將進行停機處理。值得注意的是，覆冰并不必然導致風輪機失速，具體是否失速需要對特定的覆冰形狀及其對葉片的氣動性能影響進行分析。

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Comparison of Flashover Performance of Typical Post Insulators under Pollution Conditions

ZHU Guisen， ZHENG Changchuan

(1. Wuhai Vocational and Technical College, Wuhai 016000, Inner Mogolia, China； 2. Haibowan Power Plant， Wuhai 016000, Inner Mogolia, China)

The ice will cause some harm to the wind turbine blades. In order to study the effect of icing on the aerodynamic performance of wind turbine blade, using theκ-εturbulence model, NACA 23012 airfoil was simulated and analyzed, the dynamic performances before and after the 40° angle of attack of the airfoil icing gas were emphatically analyzed. It was found that in the simulation of the airfoil under the condition of lift reduces and the resistance increases, the lift drag ratio decreases from 1.594 down to the 0.7. The pressure cloud near wing displays that on the airfoil surface there is a vortex area. It shows that the aerodynamic performance deteriorates, and the airfoil stalls. At the same time, the pressure and air velocity around the airfoil were compared, the simulation results show that the air pressure and velocity fields around the airfoil are more serious.

icing; wind turbine blade; aerodynamic characteristics

2016-11-25

朱貴森(1980-)，男，河北衡水人，碩士，講師，主要從事電廠熱能動力方面的研究。

Tel.：15048349006;E-mail：30210912@qq.com

TP 391

A

1006-7167(2017)08-0129-04