渦流發生器在風力機葉片上的應用與驗證

李杰， 鐘賢和， 李松林， 黃樹根

（東方電氣風電有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

渦流發生器 （vortex generator， 簡稱 VG）是以某一攻角垂直布置在風力機葉片表面的小展弦比翼型， 因翼型兩側壓力差產生翼尖渦， 促進邊界層外高動能流體與邊界層內低動能流體的摻混，增加邊界層內流體的動量和能量， 降低邊界層的厚度， 抑制展向流動， 達到流動控制的目的， 從而使湍流邊界層的分離推遲或消除， 最終達到使翼型增升減阻的效果。 國內外已有部分學者對VG 展開研究， 劉剛等通過數值模擬的方法， 探究了渦流發生器的形狀、 排列方式和幾何尺寸對翼型流動分離的影響， 進而得出了對超臨界機翼氣動性能的影響規律； Nickerson 等通過風洞實驗的方法， 研究了大型風力機葉片加裝VG 后升阻力特性的變化， 驗證了 Vs 提高升阻比的目的；Johansen 等通過數值模擬的方法， 在對稱邊界及周期性邊界條件下分析了加裝VG 的風輪葉片的性能變化； 張磊等對安裝VG 的翼型段進行了數值模擬， 得到了與實驗值較吻合的結果， 進一步驗證在較大攻角下， VG 能夠抑制邊界層的分離。

上述學者對VG 的研究大都基于數值模擬或風洞試驗的方法， 并未在真實風機葉片上安裝VG進行驗證。 基于此， 本文采用CFD 方法， 針對某葉片展開VG 設計， 分析其對葉片截面升阻力系數影響， 并將VG 安裝于真實葉片上并在風場開展測試， 通過理論數據與試驗數據的對比， 已驗證VG 的實際效果， 為VG 的設計和工程應用提供理論支撐。

1 CFD 分析方法

論文針對某4 MW-70 m 級葉片開展VG 仿真分析與設計， 圖1 為該葉片葉根處相對厚度為40%、 50%、 60%、 70%的翼型段。 VG 模型如圖 2所示， 并用部分特征參數進行表征。

圖1 40%、 50%、 60%、 70%厚度的翼型段

圖2 渦流發生器示意圖

本文采用C-H 網格方法， 計算域60 倍弦長。計算模型的出口條件為遠端壓力場， 通常為標準大氣壓； 前端邊界條件設置為速度進口條件； 遠場邊界條件， 設為壓力出口， 大小為一個標準大氣壓； 壁面條件， 將翼型做壁面處理， 通過計算翼型上下表面的受力分布來計算升阻力大小以及旋轉力矩。 處理后的CFD 模型如圖3 所示。

圖3 翼型數值模擬C-H 網格示意圖

2 計算結果與分析

論文分別計算了葉根翼型在有無VG 下的氣動特性， 結果如圖 4-5 所示。 其中“sm”表示光滑翼型， “vg-25”表示 vg 安裝在弦向 25%位置， “h=20”表示渦流發生器高度為20 mm。

圖4 40%翼型有無VG 氣動性能對比

從圖4 可以看出， 40%厚度的翼型， 安裝渦流發生器后， 升力系數增大， 阻力系數先增加后減小， 升阻比先減小后增大， 在運行攻角下降低。從圖5 可以看出， 50%厚度的翼型， 在弦向合理位置安裝渦流發生器后， 升力系數增大， 阻力系數減小， 升阻比在運行攻角下升高。 60%和70%厚度的翼型也存在于50%翼型相同的規律。 綜上所述， 翼型相對厚度越小， 安裝20 mm 高度的渦流發生器導致升阻比降低。

圖5 50%翼型有無VG 氣動性能對比

為了說明渦流發生器對翼型氣動數據的影響，以60%翼型為例， 分析流場特性， 詳見圖6-7。從圖6 的流線圖可以看出， 60%翼型在16°攻角下翼型尾緣30%范圍內出現了流動分離安裝VG 后分離區面積減小。 從圖7 的流線圖可以看出， 該翼型在28°時分離區進一步擴大， 流動分離現象更加明顯， 翼型尾緣50%以上出現了流動分離， 而在安裝VG 后分離區面積明顯減小。 這說明， 對較大分離的情況下， 渦流發生器抑制分離的效果更明顯， 渦流發生器使分離位置延后。

圖6 a=16°流場

圖7 a=28°流場

3 試驗驗證

根據CFD 計算結果， 選取性能最好的安裝位置， 某 4 MW-70 m 級葉片VG 布置位置見表 1，其中相對厚度70%、 60%和50%的位置安裝兩排VG， 45%厚度位置安裝一排VG， VG 生產完成后在葉片生產工廠進行安裝， 安裝VG 的葉片如圖8所示。

表1 VG 在葉片上定位

圖8 安裝VG 的風電葉片

功率曲線是評定風力發電機組性能的重要指標之一， 功率特性測量作為評定風力發電機組性能和推算機組年發電量的主要技術手段。 根據IEC6 1400-12-1 中關于風力發電機組功率特性測量方法的相關規定， 風力發電機組功率特性測量的主要工作包括測試場地的選取與評定、 測試傳感器的選取、 測風塔的建立、 測試設備安裝與數據采集以及測試數據的后處理等內容。

在風力發電機組功率特性測量過程中， 主要使用兩類傳感器： 一是電參數測量設備； 二是氣象參數測量設備。 主要設備清單見表2， 功率測試系統如圖9 所示。

表2 測試系統主要設備清單

圖9 功率測試系統組成

運用已搭建的功率測試系統， 在某試驗基地對帶有VG 的風力機進行功率測試， 并將風資源數據作為輸入條件， 進行仿真分析。 測試與仿真對比如圖10 所示， 詳細數據見表3。 通過對比可知， 理論仿真與實測結果吻合程度較好， 盡管6 m/s、 8 m/s 和 9 m/s 時， 測試值超過仿真值 1%，但從整個風速變化條件考慮， 仿真與測試平均偏差為0.4%左右， 驗證了仿真分析方法是正確的。

圖10 安裝VG 的風電葉片仿值結果

表3 帶VG 風力機測試功率與仿真對比

在相同的輸入條件下， 對不帶VG 的葉片進行CFD 仿真分析， 由于該機組功率等級為4 MW，當機組功率快達到4 MW 時， 機組要執行變槳限功率， 因此只對比變槳前的計算結果， 見表4， 通過對比發現， 葉片安裝VG 后， 發電功率均有提升， 在風速為 6 m/s 時， 提升量最大， 達 2.2%。

表4 動態功率對比表

4 結論

（1）采用CFD 軟件對葉片葉根翼型有VG 的情況進行數值計算， 結果表明： VG 對翼型具有增大失速裕度， 提高翼型失速后的升阻比的作用。

（2）葉根區域翼型相對厚度較大， 氣動分離明顯， 加裝VG 能有效的抑制氣動分離。

（3）葉片加裝渦流發生器后， 風場實測數據與理論仿真數據吻合， 驗證仿真方法正確。

（4）再次對相同條件下對不帶VG 葉片進行仿真分析， 其結果表明， 在全風速條件下， 帶VG的葉片將有助于提高風電機組的發電功率， 特別時在6 m/s 時， 效果最好， 提升功率達2.2%。