葉尖小翼對風力機葉片氣動特性影響研究

王亞娥,葛文澎,苗得勝,吳 迪

（明陽智慧能源集團股份公司，廣東 中山 528400）

0 引言

作為風力發電機組的重要組成部分，葉片氣動特性的優劣直接決定了風電機組發電能力的高低。因此，如何提升葉片的氣動特性成為研究的重點。當空氣流經風輪葉尖時會產生葉尖渦，葉尖渦的出現會導致機組的輸出功率減小，疲勞載荷增大?，F有研究表明，在葉片葉尖段加裝小翼，可以改善葉尖流場分布，降低葉尖處的誘導阻力，減少葉尖能量損失，進而提高機組的發電效率[1]。蔡新[2]研究了葉尖小翼傾斜角對葉片氣動性能的影響，發現大傾斜角小翼能明顯改善葉尖繞流，降低葉尖能量損耗。陳愷[3]建立了NREL 5 MW風力機葉尖小翼的參數化模型，開展了參數敏感性分析，并基于CFD方法對比分析了小翼對葉片表面流態、壓力分布等特性的影響，揭示了小翼增功的氣動機理。胡丹梅[4]探究了平板小翼和融合小翼對風力機氣動特性和流場分布的影響，發現在葉尖增加小翼可提高風力機總功率，與平板小翼相比，融合小翼的葉片表面壓差更大，具有更好的氣動特性。張浩[5]以NREL5MW風力機為研究對象，在葉尖安裝L小翼，降低了葉尖繞流的下洗速度，改變了葉尖環量的分布，降低了葉尖渦強度，抑制了葉尖氣流與葉片過早分離，增大了葉尖上、下表面壓差，增加了風力機輸出功率，提高了風能利用效率。陶維翔[6]對后掠L型葉尖小翼進行了研究，發現風力機加裝后掠L型小翼后，其軸向推力增加了0.46%～0.81%，增幅較小，而發電效率增幅明顯，提升了3.4%～4.2%。張慶峰[7]采用數值模擬方法分析了小翼幾何參數的最佳變化范圍，為小翼的設計提供了方法依據。Ali A[8]研究了不同葉尖小翼對水平軸風力機升阻比的影響，結果表明，在迎風葉片下，加裝小翼能夠提升26%的升阻比。

已有的針對葉尖小翼的研究均較為理想，小翼朝向吸力面的設計居多，而實際工程應用要考慮葉片凈空問題，防止葉片出現大幅振動時與塔筒發生碰撞。此外，葉尖小翼的扭角大小關系到葉尖氣流分離邊界位置點，從而對葉片壓力產生影響，這一方面研究較少。本文以某1.5MW風力發電機組為研究對象，對4～10m/s風速下5種加小翼葉片和直葉片風輪流場進行仿真計算。通過對比加小翼前后風力機葉尖流場分布及氣動特性的變化，研究小翼扭角對風力機氣動特性的影響，并充分考慮葉片凈空、葉尖整形和扭角大小等問題。

1 計算模型

1.1 計算模型及參數

本文以某1.5MW水平軸風力機為研究對象，計算域如圖1所示。計算域由旋轉域和靜止域兩部分組成。旋轉域為圖中葉片所在區域，其他區域均為靜止域。靜止域為圓柱體，以輪轂中心為原點，靜止域長為2D+10D，柱面直徑為4D，其中D為風輪直徑。機艙和塔筒位于風輪下風向，故未考慮其影響。風力機相關參數如表1所示。

圖1 計算域Fig.1 Computational domain

表1 1.5MW風力機基本參數Table 1 Basic parameters of 1.5MW wind turbine

葉尖小翼的設計參數主要有小翼高度、掠角、斜面角、彎曲半徑、前束角和扭角，各參數的定義如圖2所示。關于小翼扭角[9]的正負值，定義翼型前緣側向來流方向時為正。

圖2 葉尖小翼設計參數Fig.2 Design parameters of tip winglet

本文中5種葉尖小翼的彎曲半徑均為0.2m，高度均為0.8m，小翼朝向均指向葉片壓力面一側，各小翼僅扭角不同。為了便于后續數據分析，對小翼進行編號（表2），其中A0表示直葉片。直葉片葉尖段與加小翼葉尖段的幾何結構如圖3所示。

表2 葉尖小翼編號定義Table 2 Number definition of tip winglet

圖3 直葉片與加小翼葉片葉尖段Fig.3 Tip section of straightblade and wingletblade

1.2 模型驗證

本文采用STAR_CCM+軟件對計算域進行非結構化網格劃分。對葉片附近進行局部網格加密，葉片表面首層網格y+值約為1，邊界層網格增長率為1.2，核心區網格增長率為1.2。計算湍流模型為SST k-w。通過對比風速為6m/s時不同網格量的計算結果，發現當網格總數大于2 090萬時，其數量的增長對于計算結果的影響越來越小（表3）。因此，認為網格總數為2 090萬時，達到計算精度要求，此時，旋轉域網格數為2 002萬，靜止域網格數為88萬。

表3 網格無關性驗證Table 3 Validation of grid independence

圖4所示為不同風速時，功率推力仿真數據與實際數據對比圖。由于該機組采用變槳控制法，當風速達到額定風速時，葉片存在槳距角，本文暫不考慮葉片變槳工況，因此僅對4～10m/s風速段的功率及推力進行驗證。

圖4 仿真值與Bladed實際計算值對比Fig.4 Comparison of simulation value and blade calculated value

由圖4可知，在給定風速段內，功率及推力仿真模擬值與Bladed實際計算值基本吻合，最大誤差不超過6%，表明可使用該模型進行后續計算。

1.3 計算條件設置

計算域進口為均勻流速度進口，風速取4～10m/s，間隔為1m/s。出口為壓力出口，壓力值為一個標準大氣壓。計算域側面采用對稱邊界條件。靜止域與旋轉域之間采用多重參考坐標系模型（MRF）進行耦合，通過內部交界面進行數據傳遞。

采用STAR_CCM+軟件進行仿真計算，分別計算4～10m/s風速下，直葉片與5種不同扭角小翼葉片的流場分布及其對機組性能的影響。

2 計算結果及分析

2.1 加小翼前后葉尖流場分析

圖5為風速為6m/s時，加小翼前后葉尖段速度矢量分布圖。

圖5 加小翼前后葉尖速度矢量分布Fig.5 Velocity distribution of tip before and after addingwinglets

對于直葉片，氣流流經葉片葉尖附近時，受到葉片的阻礙，于是向葉尖方向流動，并在葉尖附近產生擾流現象，該現象導致葉尖壓力面壓力減小，吸力面壓力增大，從而減小葉尖附近壓力面和吸力面之間的壓差，降低葉片的輸出力矩。在葉尖段加小翼后，氣流流經葉尖時受到小翼的阻礙，速度減小，同時小翼對葉尖氣流具有一定的導流作用，有效地減弱了葉尖流動分離現象，增大了葉尖段壓差，進而增大葉片輸出力矩，提升了機組輸出功率。

2.2 加小翼前后葉尖段氣動特性分析

小翼對葉片氣動特性的影響主要體現在葉尖附近。因此，分別截取葉尖段r為38（r/R=94.3%），39m（r/R=96.8%）和39.5m（r/R=98%）位置處的平面，并提取其表面壓力分布進行分析，其中，r和R分別為翼型截面到葉根的距離和直葉片長度。圖6為風速為6m/s時，A0～A5葉片各截面壓力分布對比圖，圖中橫坐標為截面翼型單位弦長c。

圖6 葉尖段截面壓力分布對比Fig.6 Comparison of pressure distribution in blade tip section

葉尖小翼主要影響截面吸力面壓力。圖6（a）中，與A0直葉片相比，加小翼后，葉片截面壓力面壓力略微增大，但截面吸力面靠近前緣處壓力明顯增大，增大約12%，但該位置處小翼扭角的影響很小。

本文中小翼安裝位置為r/R=96.8%處，因此在圖6（b）中，與直葉片相比，葉片截面壓力明顯增大，吸力面靠近前緣處增大15%～25%，壓力面平均增大10%左右。此時，采用不同小翼，截面壓力分布基本相同，小翼扭角對截面壓力的影響依舊不明顯。

由圖6（c）可知，在截面前緣處，小翼為負扭角時，壓差值大于小翼正扭角時的壓差值。這可能是由于負扭角時葉片截面翼型的氣動攻角增大，升力系數增大，進而導致葉片輸出功率增大。

圖7為不同風速下，加小翼葉片與原葉片葉尖段（r/R=96.8%～100%）力矩與推力增長率的變化曲線。由圖7可知：當風速為4～10m/s時，葉尖小翼可使葉尖段力矩增大40%～90%，推力增大45%～65%，此外二者的增長率均隨著來流風速的增大而減小，并逐漸趨于穩定；對于葉尖段力矩提升效果而言，A3小翼葉片最好，A5小翼葉片最差，即隨著扭角的增大，小翼對葉尖段力矩提升的效果逐漸變差。這表明，當小翼其它參數相同時，負扭角更有利于提升葉尖段力矩值。這是因為當來流風速相同時，即入流角一定時，根據翼型扭角、攻角和入流角之間的關系，可知扭角越小其攻角越大，當攻角小于失速攻角時，數值越大，對應的翼型升力系數越大，因此葉片的輸出力矩越大。

圖7 r/R為96.8%～100%時，力矩及推力增長率Fig.7 Growth rate of torque and thrust at r/R=96.8%～100%

2.3 加小翼對風力機性能影響

風力機葉片的輸出力矩決定了風力機的發電功率。葉尖加裝小翼后，葉片葉尖力矩發生改變。根據葉素理論，長度為d r的力矩M為

式中：B為葉片數；ρ為空氣密度，kg/m3；V0為來流風速，m/s；Ct為切向力系數。

式中：Cl，Cd分別為翼型升、阻力系數；φ為入流角。

推力T為

式中：Cn為法向力系數。

圖8所示為不同風速下，各小翼葉片40.3m以上部分，即小翼彎曲段的力矩值和推力值。

圖8 各小翼彎曲段力矩和推力值Fig.8 Torque and Thrust values of flexural section of each winglet

由圖8（a）可知，隨著風速的增大，各小翼彎曲段的M均逐漸增大，A4小翼的M最大，A3小翼的M最小。這是因為對于小翼彎曲段，A4小翼截面翼型的攻角剛好接近失速攻角，其升力系數最大，因此A4小翼的M最大。A4小翼扭角為3°，當入流角相同時，扭角越小，其攻角越大，因此當小翼扭角小于3°時，其攻角已大于失速攻角，所以A1，A2，A3小翼的M依次減小。相同風速下，A1和A5小翼的M差較小，數值基本相同，這可能是由于其截面翼型攻角分別位于失速攻角兩側，并且二者的升力系數基本相同。此外，當風速小于5m/s時，A3小翼彎曲段的力矩出現負值，這是因為風速較小時，翼型入流角較小，當其處于失速狀態時，升力系數較小，因此可能出現切向力系數為負值的情況，進而導致力矩出現負值。由圖8（b）可知，各小翼彎曲段的T均隨著風速的增大而逐漸增大，同一風速下，A3小翼的T最大，A5小翼的T最小。當入流角一定時，根據翼型扭角、攻角和入流角之間的關系，扭角越小其攻角越大，表明小翼彎曲段的T與翼型攻角成正比。

圖9所示為不同風速下，與直葉片相比，各加小翼葉片對機組性能提升的影響。

圖9 加小翼對風力機功率及推力的影響Fig.9 Influence ofwingleton power and thrustofwind turbines

由圖9可知，當風速為4～10m/s時，加裝小翼后風力機功率提升了2.2%～3%，推力增大了2%～3.6%，并且二者均呈現出隨風速的增大而逐漸減小的趨勢。當風速為4m/s時，加裝A3小翼的風力機功率增長率較小，這是因為A3小翼彎曲段的M為負值，進而導致總M減小。對于機組總體性能提升而言，A2小翼效果最優，A5小翼效果最差；小翼負扭角優于正扭角，小扭角優于大扭角。出現上述結果與入流角以及葉片截面翼型攻角的綜合影響有關，這也表明葉尖小翼的扭角設計存在一個合適的范圍，并不是扭角越大越好。

總體上，小翼扭角對風力機功率和推力的影響較小。同一風速下，對于給定小翼（扭角為-6～6°），風力機功率增長率最大差值小于0.7%，推力增長率差值小于1%。

3 結論

本文基于實際風場葉片改造項目，通過對風速為4～10m/s時，某1.5MW風力機直葉片和5種加裝小翼葉片的流場進行數值模擬計算，得到以下結論。

①葉尖小翼減弱了葉尖附近的流動分離現象，增大了葉片葉尖壓力面與吸力面之間的壓力差，可提升風輪輸出功率。

②葉尖小翼對葉片0.94R（R≥38m）以上的葉尖段氣動特性的影響較大，該范圍內的葉片截面前緣吸力面側壓力增大12%～25%。

③當風速為4～10m/s時，與直葉片相比，加裝小翼后，風力機功率提升了2.2%～3%，推力增大了2%～3.6%，并且隨著風速的增大，功率和推力增長率均逐漸減小。

④小翼負扭角對風力機性能提升效果優于正扭角，小扭角優于大扭角?？傮w上，小翼扭角對機組性能的影響相對較小。相同風速下，功率增長率最大差值小于0.7%，推力增長率差值小于1%。