基于葉素理論的2MW風力發(fā)電機葉片外形設計及氣動分析

張皓

摘 要：風力發(fā)電機葉片是風力發(fā)電機組的關鍵零部件之一，其氣動性能在很大程度上決定了風力發(fā)電機組運行的可靠性。根據動量-葉素理論，采用Wilson設計方法設計葉片氣動布局，以獲得葉片氣動數學模型。同時，通過對葉片的氣動性能分析驗證了該設計方法的有效性。研究結果為提高風力發(fā)電機發(fā)電效率、降低故障率提供了一定的理論基礎，也為工程實踐時葉片的選型提供了參考。

關鍵詞：風力發(fā)電機；葉片；動量-葉素理論；氣動分析

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.122

大功率的風力發(fā)電機，比如2 MW風力發(fā)電機的葉片需要從外形氣動設計方面入手分析，從2D和3D理論方面進行研究。目前，對其的研究已經形成了比較成熟的理論方法，比如基于葉素-動量（BEM）理論的數學建模研究等?，F在分析的理論基本上是在實驗室研究的，或是根據近似的經驗得出的理論數學模型。一般情況下，其適用是有一定前提條件的。因此，進一步深入研究大功率風力發(fā)電機葉片外形氣動方面的內容，提煉出更加符合實際復雜情況的理論研究才是今后的主流發(fā)展方向。

1 風力發(fā)電機葉片外形的數學建模

應用動量理論、葉素理論可得：

.式（2）（3）中：Nb為葉片數；r為翼型的葉素面距離葉根的位置；R為風輪直徑；c為弦長。

當軸向誘導因子為0～0.4時，式（1）是比較可靠的。當軸向因子大于0.4時，動量-葉素理論不再適用。當a>0.4時，式（1）為普朗特因子F=1時成立的表達式。當普朗特因子F<1時，另外一個表達式為：

2 2 MW風機葉片外形輪廓參數

要想設計風機葉片的外形輪廓，就需要得到葉片的翼型、尖速比、運轉的額定功率，風輪直徑，葉片的數量，葉片的弦長和安裝角。本文根據風場的實際運行工況，以2 MW風力發(fā)電機需用的葉片進行理論研究可知，風力發(fā)電機的額定功率P=2 MW，風場當地自然的額定風速v=12 m/s，設定風能利用系數Cp=0.42.此時，選用的風力發(fā)電機的電機效率和傳動效率乘積為η1η2=0.9.

2.1 計算葉片的風輪直接

式（5）中：P為額定功率，取2 MW；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為風場當地自然的額定風速，取12 m/s；Cp為風能利用系數，取0.42；η1η2為選用的風力發(fā)電機的電機效率和傳動效率乘積，取0.9；D為到葉根的距離。

將相關數值代入式（5）中得：D≈85 m。

2.2 葉片的尖速比和葉片數量

風機葉片的尖速比是葉尖線速度與風速之比。在葉片外形設計中，尖速比是非常重要的，可以根據它來選擇葉片的數量和實度。實度包括低實度和高實度2種，它們各有特點。低實度會產生氣動寬平曲線，也就是說，在一個很大的范圍內，風能利用的變化值不大，很穩(wěn)定；而高實度則是窄尖的曲線，變化非常大，非常敏感。根據風場自然環(huán)境和工程實踐應用，選擇3個葉片，即產生最佳的實度，并且它的運行和功率輸出與2個葉片相比更加平穩(wěn)，所以，本文取尖速比λ=7，Nb=3.

2.3 葉片翼型的選擇

根據風機的功率，選用NREL系列翼型，葉根部分根據風機的連接要求采用S818翼型和S825翼型，葉尖部分根據風場的自然環(huán)境要求采用S826翼型，葉根與葉尖之間根據所選的翼型采用線性插值進行自然平滑的連接。

2.4 計算風機和葉片連接的安裝角和自身弦長

在選定的翼型基礎上，根據威爾遜設計方法對2 MW風力發(fā)電機葉片的弦長和扭角的分布進行設計計算，使某一特定威布爾分布風址下的大型風力發(fā)電機組年平均發(fā)電量達到最大。使用該設計方法可以避免攻角與翼型升阻比有關的假設。它是獨立于翼型設計的葉片氣動設計方法，不需要進行復雜的運算便可以大大降低計算成本，縮短時間成本。

3 2 MW風機葉片建立三維模型

3.1 葉片各翼型空間坐標的確定

需要計算的選定翼型弦上的離散點坐標（x0，y0）是以前緣為原點、弦線方向為x軸，將坐標系統(tǒng)轉換成以壓力中心為原點、弦線方向為x軸的坐標（x1，y1），之后旋轉坐標得到了各離散點在實際空間坐標的位置（x，y，z）。

所設計的葉片中每個葉素各離散點的坐標為：

運用翼型設計軟件計算得到該翼型上下弦中各個離散點坐標（x，y），并把它轉換為相應的弦長坐標，即：

。

旋轉葉素得到各葉素離散點空間的實際坐標（x，y，z），即：

.