基于BLADED軟件的大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動分析

周鵬展 ，曾竟成，肖加余，楊軍

(1. 國防科技大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，湖南 長沙，410073；2. 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲，412007；3. 長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙，410076)

風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其制造成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總成本的20%～30%，其氣動性能在很大程度上決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和風(fēng)能利用的經(jīng)濟(jì)性[1-6]。近幾年來，隨著世界范圍內(nèi)化石能源的逐漸枯竭以及國際社會對于碳排量減排的要求，我國風(fēng)電作為一種可商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的清潔可再生能源，其裝機(jī)容量以連年翻番的趨勢快速增長，并向單機(jī)大型化、大功率方向發(fā)展，也帶動了兆瓦級大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動分析工作的發(fā)展[1,3,7]。風(fēng)力機(jī)葉片的氣動性能不僅與其自身翼型結(jié)構(gòu)和風(fēng)場環(huán)境有關(guān)，而且與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式和控制方式等因素有關(guān)[8-15]。目前，國內(nèi)外就如何應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能進(jìn)行系統(tǒng)評估的報道較少，因此，如何應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)力機(jī)葉片在特定應(yīng)用環(huán)境下的氣動性能進(jìn)行分析，并保證風(fēng)力機(jī)葉片能夠高效、可靠地運(yùn)行，是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)葉片工程應(yīng)用研究急需解決的難題之一。在此，本文作者基于大型通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計與分析軟件BLADED[13]，根據(jù)德國GL2003國際標(biāo)準(zhǔn)[14]，針對應(yīng)用于GL3A風(fēng)場的某款1.50 MW大型風(fēng)力機(jī)葉片與某款 1.65 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組匹配時的氣動性能進(jìn)行分析。

1 理論基礎(chǔ)

目前，用于大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動分析的理論有貝茲理論、動量理論、葉素理論、動量-葉素理論等[2,10-11]，其中動量-葉素理論給出了求解軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子的方法，并通過普朗特修正、Wilson修正、Glauert修正等方法對葉片模型進(jìn)行修正，是目前最常用、最成熟的葉片設(shè)計方法[8-15]，其基本公式推導(dǎo)如下。

根據(jù)動量理論，有

根據(jù)葉素理論，有

根據(jù)葉素理論，速度矢量可表示為：

令式(1)和式(2)中的 dT與 dM 相等，由式(1)～(3)可得：

式中：v0為相對來流速度；v1為來流風(fēng)速；a為軸向誘導(dǎo)因子；b為周向誘導(dǎo)因子；ρ為空氣密度；c為葉素剖面弦長；B為葉片數(shù)；Cn為法向力系數(shù)；Ct為切向力系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)；φ為入流角；F為修正系數(shù)。

式中：Cl為升力系數(shù)。

若考慮普朗特葉尖損失修正因子：

則控制方程可修正為：

當(dāng)風(fēng)輪葉片部分進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)時，動量方程不再適用，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式對動量-葉素理論進(jìn)行修正。

(1) 當(dāng)a＞0.38時，采用Wilson修正方法。

(3) 考慮風(fēng)輪錐角的修正。在上述軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b的計算中，都假設(shè)風(fēng)輪的錐角χ為0°。當(dāng)風(fēng)輪的錐角不為 0°時，將代為：

式中：χ為風(fēng)輪錐角。

上述動量-葉素理論是進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片氣動分析與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，但同時考慮到大型風(fēng)力機(jī)葉片的氣動性能不僅與其自身翼型結(jié)構(gòu)和風(fēng)場有關(guān)，而且與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式和控制方式有關(guān)，考慮求取以上因素的理論分析方程解析解非常困難，本文采用基于動量-葉素理論的 Bladed軟件[8]進(jìn)行數(shù)值求解與氣動分析。

2 氣動分析模型

2.1 Bladed葉片模型

本文采用的應(yīng)用于GL3A風(fēng)場的1.50 MW某款大型風(fēng)力機(jī)葉片屬于變槳控制型葉片，其安裝方式是在每個風(fēng)輪上安裝3個葉片，其設(shè)計長度約為40.3 m，設(shè)計額定功率為1.50 MW，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)葉片基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of wind turbine blade

該風(fēng)力機(jī)葉片在應(yīng)用于 1.65 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，其實(shí)際運(yùn)行的額定功率要求達(dá)到1.65 MW。實(shí)際額定功率增大后，對安全問題需要進(jìn)行客觀分析與準(zhǔn)確判斷。本文采用 BLADED軟件對其氣動性能進(jìn)行分析，根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，在Bladed軟件中建立風(fēng)力機(jī)葉片模型，如圖1所示。

圖1 基于BLADED的葉片模型Fig.1 Wind turbine blade model based on BLADED software

2.2 Bladed風(fēng)輪模型

同一款風(fēng)力機(jī)葉片在應(yīng)用于不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，其氣動性能也會產(chǎn)生差異，所以，在對具體的某一款風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行氣動分析時，需要把葉片與整機(jī)聯(lián)系起來考慮。在分析所述風(fēng)力機(jī)葉片的氣動性能時，選配的應(yīng)用機(jī)型是某1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of wind turbine

根據(jù)表2所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)，在Bladed軟件中建立風(fēng)輪模型，如圖2所示。圖2中：T為風(fēng)輪仰角；C為風(fēng)輪錐角；Ht為輪轂高度；L為葉片橫向偏移；O為風(fēng)輪懸掛距離。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 安裝角選擇

安裝角在-2°～2°之間變化時，會引起風(fēng)力機(jī)葉片最大風(fēng)能利用系數(shù)發(fā)生變化，如圖3所示。從圖3可見：當(dāng)安裝角從-2°逐漸向 2°變化時，風(fēng)力機(jī)葉片的最大風(fēng)能利用系數(shù)呈現(xiàn)了先增大后下降的變化特征，并且在安裝角為 0°時最大風(fēng)能利用系數(shù)最高，達(dá)到0.486。安裝角的正偏或負(fù)偏都會引起風(fēng)力機(jī)葉片最大風(fēng)能利用系數(shù)下降，為了使風(fēng)力機(jī)葉片盡可能多發(fā)電，選擇本款風(fēng)力機(jī)葉片安裝角為0°進(jìn)行分析。

圖2 基于BLADED的風(fēng)輪模型Fig.2 Rotor model based on BLADED

圖3 安裝角對最大風(fēng)能利用系數(shù)的影響Fig.3 Effect of set angle on the maximum power coefficient

3.2 氣動功率

風(fēng)力機(jī)葉片在上述應(yīng)用條件下的氣動功率計算結(jié)果如圖4所示，圖中實(shí)線表示風(fēng)輪輸入的軸功率，虛線表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在滿功率時的功率傳遞效率取93%。從圖4可見：當(dāng)該款風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)速為11.0 m/s時，可達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動額定功率1.65 MW，滿足設(shè)計要求。

3.3 風(fēng)能利用系數(shù)

由該款風(fēng)力機(jī)葉片計算得到的風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可見：該款葉片在葉尖速比為 9.5時，其最大風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.486；而且該款葉片在葉尖速比為7.8～11.4之間變化時，都能保證其最大風(fēng)能利用系數(shù)大于0.46，這說明該款葉片的氣動設(shè)計比較好，適用風(fēng)速范圍較寬，氣動效率較高。

圖4 風(fēng)力機(jī)葉片功率曲線Fig.4 Powers curves of wind turbine blade

圖5 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系Fig.5 Relationship between power coefficient and tip speed ratio

3.4 葉根疲勞載荷

該款風(fēng)力機(jī)葉片在GL3A風(fēng)場下，按使用壽命為20 a、循環(huán)數(shù)為107次計算，根據(jù)德國GL2003國際標(biāo)準(zhǔn)[9]，用BLADED軟件計算得到的葉根等效疲勞載荷的計算值與原有設(shè)計值的對比結(jié)果如表3所示。表3中，m為葉根等效疲勞載荷對應(yīng)的材料系數(shù)，對于復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片，取m=10。

表3 葉根等效疲勞載荷對比Table 3 Comparison of blade root’s equivalent fatigue loads MN·m

由于x方向與葉片的揮舞方向一致，y方向與葉片的擺振方向一致，而葉片揮舞方向的強(qiáng)度和剛度都要弱于擺振方向的強(qiáng)度和剛度，所以，葉根等效疲勞載荷主要參考x方向的疲勞載荷。從表3可見：該1.50 MW風(fēng)力機(jī)葉片在應(yīng)用于1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，計算得到的x方向的葉根等效疲勞載荷Mx為2.107 7 MN·m，比原設(shè)計值小4.8%，而y方向的葉根等效疲勞載荷My為2.027 2 MN·m，比原設(shè)計值小3.5%。由此可見：該葉片在應(yīng)用于1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，由葉片等效疲勞載荷來判斷，其應(yīng)用是安全的。

3.5 葉根極限載荷

該款風(fēng)力機(jī)葉片在應(yīng)用于GL3A風(fēng)場時，根據(jù)德國 GL2003國際標(biāo)準(zhǔn)[9]，在考慮安全系數(shù)時，按極限風(fēng)況計算得到的葉根極限載荷的計算值與原有設(shè)計值的對比結(jié)果如表4所示。

表4 葉根極限載荷對比Table 4 Comparison of blade root’s extreme loads MN·m

由于葉片揮舞方向的強(qiáng)度和剛度都比擺振方向的弱，而且葉根處的極限載荷最大，所以，葉片極限載荷也主要參考葉根極限揮舞載荷。從表4可見：該風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)用于該款1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，其葉根極限揮舞載荷為 4.614 6 MN·m，比原設(shè)計值小1.6%；其葉根極限擺振載荷為2.369 8 MN·m，比原設(shè)計值小0.6%。由此可見：該葉片應(yīng)用于1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，由葉根極限載荷來判斷，其應(yīng)用也是安全的。

4 結(jié)論

(1) 本款1.50 MW大型風(fēng)力機(jī)葉片在與目標(biāo)機(jī)型匹配時，當(dāng)安裝角為0°時具有最大風(fēng)能利用系數(shù)，并且該葉片在風(fēng)速為 11.0 m/s時的額定功率能達(dá)到1.65 MW；在葉尖速比為7.8～11.4時，其風(fēng)能利用系數(shù)均在0.460以上，而且在葉尖速比為9.5時，其最大風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.486，顯示該葉片具有較好的氣動性能和較寬的風(fēng)速適應(yīng)范圍，可以滿足該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動功率和效率的使用要求。

(2) 該風(fēng)力機(jī)葉片在應(yīng)用于1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，計算得到的 x方向的葉根等效疲勞載荷 Mx為2.107 7 MN·m，比原設(shè)計值小4.8%，而y方向的葉根等效疲勞載荷 My為 2.027 2 MN·m，比原設(shè)計值小3.5%，由葉片等效疲勞載荷來判斷，其應(yīng)用是安全的。

(3) 該風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)用于1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，其極限揮舞載荷為4.614 6 MN·m，比原設(shè)計值小1.6%；其極限擺振載荷為2.369 8 MN·m，比原設(shè)計值小0.6%，由葉根極限載荷來判斷，其應(yīng)用也是安全的。

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