風(fēng)力機(jī)葉片葉根優(yōu)化方法研究

李杰，尹景勛，鐘賢和

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

風(fēng)力機(jī)葉片葉根優(yōu)化方法研究

李杰，尹景勛，鐘賢和

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

利用CFD商用軟件對葉根優(yōu)化前后的兩支葉片進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，葉根優(yōu)化后，葉片的氣動(dòng)性能明顯增加?？紤]到葉片與輪轂、機(jī)艙、塔架的相互關(guān)系，將葉根進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終使發(fā)電量增加1.5%。為機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及后期葉片改造提供依據(jù)。

風(fēng)力機(jī)，葉片，葉根優(yōu)化，數(shù)值研究

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，大功率兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)已成為企業(yè)的主流產(chǎn)品，其空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)也成為了國內(nèi)外很多學(xué)者的研究重點(diǎn)[1]。而風(fēng)輪作為風(fēng)力機(jī)的主要組成部分，其成本占到整個(gè)風(fēng)力機(jī)組的20%左右，同時(shí)風(fēng)輪也是風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件[2]。對于葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，國內(nèi)外有很多學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究。

本文以風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過對原始葉片的形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用CFD商用軟件對葉根優(yōu)化前后的兩支葉片進(jìn)行數(shù)值模擬，對比其氣動(dòng)特性，分析模擬結(jié)果的流動(dòng)細(xì)節(jié)，并詳細(xì)比較了葉根改造前后葉片的流場變化趨勢，分析葉根弦長增大后葉片性能增加情況?？紤]到葉片與輪轂、機(jī)艙、塔架的相互關(guān)系，將葉根進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終使發(fā)電量增加1.5%。為機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及后期葉片改造提供理論依據(jù)。

1 模型介紹

圖1 DF77D葉片

為改善DF77D葉片的性能，現(xiàn)對DF77D進(jìn)行理論研究。由于葉片幾何參數(shù)直接影響葉片的性能，其中弦長對葉片性能影響較大，現(xiàn)通過增大葉根弦長的方法達(dá)到葉片增升的目的，對比外形改變前后的功率、扭矩、推力以及流場情況，探討葉片優(yōu)化改造的方法。

DF77D及改造后的葉片DF77D-root的弦長如圖2所示。圖中 “Schmitz”表示用Schmitz理論計(jì)算出來的弦長。

圖2 DF77D葉片葉根改型前后弦長對比

2 數(shù)值方法

采用NUMECA的FINETM/TURBO軟件包對DF77D以及葉根優(yōu)化的葉片進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件采用時(shí)間相關(guān)法求解雷諾平均NS方程、中心節(jié)點(diǎn)的有限體積離散，顯式龍格-庫塔時(shí)間積分、全多重網(wǎng)格初場處理和多重網(wǎng)格迭代加速，以及低速流動(dòng)的預(yù)處理技術(shù)等。湍流模型選用普遍用在工業(yè)流體動(dòng)力學(xué)問題分析的SA模型[3]。

2.1 網(wǎng)格介紹

三維葉片網(wǎng)格自動(dòng)生成：在導(dǎo)入葉片幾何、指定葉片數(shù)目與轉(zhuǎn)速、指定計(jì)算域大小與網(wǎng)格分布后，即可完成網(wǎng)格的自動(dòng)生成和邊界條件的自動(dòng)設(shè)置。根據(jù)流動(dòng)的周期性，三葉片風(fēng)力機(jī)計(jì)算域大小為120°圓柱，如圖3所示。

圖3 計(jì)算域及網(wǎng)格局部放大圖

計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為290萬，上下游各10倍葉高，徑向6倍葉高，翼型弦向網(wǎng)格數(shù)161，葉片展向網(wǎng)格數(shù)81。葉片表面絕大部分Y+均小于3。

2.2 邊界條件

一天晚上，老同學(xué)聚會(huì)，馮一余喝了點(diǎn)酒，請代駕把車開回來，已經(jīng)沒地方停車了，就停到大街上，代駕打車走了。他自己一路走回去，被夜風(fēng)一吹，有點(diǎn)興奮，干脆繞著小區(qū)散起步來。繞了一圈，發(fā)現(xiàn)路邊一輛車?yán)锖孟裼袀€(gè)亮點(diǎn)，沒怎么在意；又繞了一圈，那個(gè)亮點(diǎn)還在，他還是沒當(dāng)回事；再繞一圈，還是這樣，他終于忍不住了，湊近了看看，一看之下，嚇了一跳，竟是小區(qū)的物管經(jīng)理老崔，坐在車?yán)锍闊熌亍?/p>

計(jì)算域外邊界給定進(jìn)、出口邊界條件：來流側(cè)給定速度分量和大氣溫度，其余計(jì)算域邊界給定大氣壓力，大氣溫度293 K，大氣壓力101 325 Pa，如圖3所示。葉片壁面為無滑移邊界，輪轂采用歐拉邊界。

2.3 湍流模型

湍流模型選用S-A模型。

2.4 收斂準(zhǔn)則

各塊殘差：每個(gè)塊的殘差下降3個(gè)量級(jí)以上。

總體參數(shù)：總體性能參數(shù) （如推力，扭距等）不再隨迭代步數(shù)而變化，如圖4所示。在大分離情況下，計(jì)算以性能參數(shù)呈周期性變化為收斂。

全局殘差:全局殘差下降3個(gè)量級(jí)以上。

各區(qū)塊殘差下降3個(gè)量級(jí)以上。低風(fēng)速時(shí)總體性能參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，高風(fēng)速時(shí)由于流動(dòng)分離尺度較大，總體性能參數(shù)呈周期性變化。

圖4 總體殘差及功率收斂曲線

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果確認(rèn)

采用上述數(shù)值方法對DF77D以及葉根改進(jìn)的葉片DF77D-ROOT在風(fēng)速為5 m/s、8 m/s、10.8 m/s、15 m/s和20 m/s的情況下，分別對其進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與DF77D原始設(shè)計(jì)的軸功率數(shù)據(jù)（動(dòng)量葉素理論）以及功率系數(shù)進(jìn)行對比，如圖5所示，其中 “Design”表示葉片原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，“DF77D”和 “DF77D-ROOT”分別表示DF77D葉片及DF77D-ROOT葉片數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖5 軸功率與功率系數(shù)曲線對比

從圖5可以看出，在所研究的風(fēng)速范圍內(nèi)，兩支葉片數(shù)值計(jì)算的軸功率和功率系數(shù)與葉片原始設(shè)計(jì)功率數(shù)據(jù)和功率系數(shù)趨勢一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)功率值吻合良好，葉根弦長增大之后的計(jì)算結(jié)果明顯高于DF77D葉片。

由于計(jì)算涉及到風(fēng)速、截面翼型較多，所以只選用位于葉片展向6 m位置截面的數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為研究對象，定性分析壓力分布特性和流場細(xì)節(jié)，其他截面的流場特性不在文中贅述。

3.2 壓力分布

由于葉根優(yōu)化前后的兩支葉片均為變截面扭葉片，各個(gè)截面的翼型弦長扭角均不相同，對于均勻來流的情況各個(gè)截面流場、翼型攻角、壓力分布等也不相同，現(xiàn)以葉片展向6 m截面翼型為主要研究對象，對比分析兩支葉片壓力分布特性。數(shù)值計(jì)算壓力系數(shù)通過式（1）求得。

其中：p為翼型表面的壓力，Pa；p0為來流靜壓，Pa；U∞為來流速度，m/s；Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，rad/s；r為截面到輪轂中心的距離，m。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出不同風(fēng)速下的葉片各截面翼型壓力系數(shù)分布，如圖6所示。圖中黑色十字型曲線為DF77D計(jì)算結(jié)果，紅色三角型曲線為DF77D葉根弦長增加后的計(jì)算結(jié)果。

圖6 6 m截面在不同風(fēng)速下的壓力系數(shù)分布

根據(jù)式（1）計(jì)算得出葉根優(yōu)化前后兩支葉片在不同風(fēng)速下的葉片6 m截面翼型的壓力系數(shù)分布，如圖 6所示，可以看出：在相同的風(fēng)速下，DF77D-ROOT葉片壓力測駐點(diǎn)比DF77D葉片靠后，吸力側(cè)吸力峰值較DF77D葉片小，但是由于DF77D-ROOT葉片弦長較大，使得上下翼面的壓力差也較大，即DF77D-ROOT葉片出力較大。

4 現(xiàn)場實(shí)施

考慮到現(xiàn)場實(shí)施，將葉根弦長適當(dāng)調(diào)整，使葉片與輪轂、機(jī)艙以及塔架不干涉，調(diào)整后的葉片外形如圖7所示。該整機(jī)的年發(fā)電量增加1.5%。

圖7 葉片壁面極限流線及葉根局部放大圖

將葉根到最大弦長附近的部分按調(diào)整后的弦長方案制作一個(gè)模具，可應(yīng)用于葉片后期改造。

5 結(jié)論

采用CFD軟件對DF77D及其葉根改造后的葉片進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬研究。通過對比數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，分析葉根改造前后葉片的氣動(dòng)特性，結(jié)果顯示：葉根弦長增加后，改善了葉根部分葉片的流場特性，使得葉片的Cp增加約1.6%。考慮到現(xiàn)場實(shí)施，將葉根弦長適當(dāng)調(diào)整，使葉片與輪轂、機(jī)艙以及塔架不干涉，則整機(jī)的年發(fā)電量增加1.5%。

[1]王旭東.風(fēng)力機(jī)翼型通用型線理論及葉片形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué),2005.

[2]陳進(jìn),王旭東,沈文忠,等.風(fēng)力機(jī)葉片的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46（3）：131-134.

[3]范忠瑤,康順,王建錄,等.風(fēng)力機(jī)葉片三維數(shù)值計(jì)算方法確認(rèn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),31（3）：279-285.

[4]Rauch J,Kr?mer T,Heinzelmann B,et al.3D numerical simulation and evaluation of the air flow through wind turbine rotors with focus on the hub area[C].In:Peinke J, Schaumann P,Barth S.Wind Energy.Berlin,Springer Verlag:2007:227-230.

[5]B S Heinzelmann,Gollnick,U Thamsen,et al.Investigations into boundary layer fences in the hub aera of wind turbine blades[C].Proceedings of the European Wind Energy Conference and Exhibition,2008.

[6]Rogers SE,Kwak D,kiric C.Steady and unsteady solutions of the incompressible Navier-Stokes equations[J].Aiaa Journal,2012,29(4):603-610.

[7]Hanjalic K,S Kenjeres.Some developments in turbulence modeling for wind and environmental engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2008,96 (10-11):1537-1570.

[8]NUMECA,User Manual FINETM/Turbo v8[Z].2007.

Study on Optimization Method of Wind Turbine Blade Root

Li Jie，Yin Jingxun，Zhong Xianhe

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

By using the CFD software,numerical study on the blades about the different root(before and after optimization)has been carried out.Through comparison and analysis,the aerodynamic performance of the blade is obviously increased after the optimization of the blade root.Considering the relationship between the blade and the hub,nacelle,tower,the blade root is adjusted appropriately,ultimately enable the amount of power increase 1.5%.The results will be referenced for design optimization of wind turbine and blade modification.

wind turbine,blade,root optimization,numerical study

TK8

A

1674-9987（2017）01-068-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.014

李杰 （1983-），女，碩士，工程師，2009年畢業(yè)于華北電力大學(xué)流體機(jī)械及工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)工作。