100 kW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能分析

朱建勇，田 澤

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

100 kW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能分析

朱建勇，田 澤

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

基于改進(jìn)的動量-葉素理論，優(yōu)化設(shè)計了100 kW水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片氣動外形，對風(fēng)輪的氣動性能進(jìn)行計算，并且給出葉片穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)載荷和極端風(fēng)況下動態(tài)載荷，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核的依據(jù)。計算分析表明：當(dāng)來流速度達(dá)9.8 m/s時，風(fēng)力機(jī)的輸出軸功率可達(dá)110 kW，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，當(dāng)尖速比為7.0-11.4的風(fēng)能利用系數(shù)均在0.45以上，且最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.495 8，具有較好的氣動性能；相對于正常工況下的穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)載荷，其它極端風(fēng)況下的動態(tài)載荷顯著增大。

風(fēng)能；水平軸風(fēng)力機(jī)；葉片；動量-葉素理論；氣動性能；氣動載荷

能源與環(huán)境問題日益突出，積極利用可再生能源是解決這一問題的有效途徑。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為目前新能源應(yīng)用中最成熟的技術(shù)[1-2]。

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力機(jī)中核心的部件，它直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率和氣動載荷，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[3]。氣動性能計算是風(fēng)力機(jī)設(shè)計和校核中的重要環(huán)節(jié)，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確度直接影響風(fēng)力機(jī)葉片外形優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)劣；風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的校核需要氣動性能的計算結(jié)果作為其原始輸入數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的氣動性能計算能夠使校核結(jié)果更可信。

目前，評估風(fēng)輪氣動特性的方法包括基于動量-葉素理論的理論計算、基于有限體積法的數(shù)值模擬以及風(fēng)洞和外場實驗。劉雄等[4]基于片條理論建立了水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的計算模型，考慮了葉尖損失、輪轂損失、葉柵理論等因素以及相關(guān)的修正。周文平等[5]基于升力面模型和時間推進(jìn)自由尾跡模型對風(fēng)剪切和動態(tài)來流情況下的風(fēng)力機(jī)的尾跡結(jié)構(gòu)和氣動性能進(jìn)行了計算，通過與實驗數(shù)據(jù)比較驗證了模型的有效性。黃知龍等[6]基于片條理論完成了某兆瓦級水平軸風(fēng)力機(jī)氣動設(shè)計和性能評估。祝賀等[7]利用相似理論構(gòu)建風(fēng)電場三維數(shù)值試驗，并通過CFD軟件進(jìn)行計算。范忠瑤等[8]采用商業(yè)軟件對2.5 MW風(fēng)力機(jī)氣動性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)輪三維繞流細(xì)節(jié)。包能勝等[9]在回流風(fēng)洞中開展了小型水平軸風(fēng)力機(jī)襟翼增升實驗研究，探討了襟翼提高風(fēng)輪氣動效率的可行性。Driss等[10]通過風(fēng)洞實驗研究了雷諾數(shù)對水平軸氣動特性的影響規(guī)律。Kishinami等[11]通過理論和風(fēng)洞實驗研究了三種不同風(fēng)輪葉片氣動外形對風(fēng)輪氣動特性的影響。李德順等[12]基于外場實驗研究了風(fēng)力機(jī)葉片的三維效應(yīng)，得到了葉片7個不同斷面翼型的壓力分布曲線，指出三維效應(yīng)突出影響葉尖和葉根的氣動性能。

本文的研究目的是通過修正的動量-葉素理論設(shè)計得到100kW水平軸氣動外形，并且理論計算風(fēng)力機(jī)的氣動載荷，計算所得的載荷數(shù)據(jù)可以為類似尺寸水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)校核提供參考。

1 動量-葉素基礎(chǔ)理論

目前，動量-葉素理論對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及葉片氣動性能評估，考慮葉片葉尖端和根部損失，引入了葉尖損失系數(shù)Ft和輪轂損失系數(shù)Fh。綜合動量理論和葉素理論獲得的軸向推力和扭矩求解葉素風(fēng)能利用系數(shù)dCP的最大值，可得到不同葉素對應(yīng)的含有尖部和輪轂損失系數(shù)的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子α′表達(dá)式。主要的計算公式為[13-14]

dCP=4(1-α)α′Fλ2

(1)

α′(1+α′)λ2=α(1-αF)

(2)

其中，λ為當(dāng)?shù)丶馑俦?，φ為?dāng)?shù)厝肓鹘牵現(xiàn)為葉尖和輪轂總的損失系數(shù)，見公式(3)、(4)，B為風(fēng)輪葉片數(shù)目，R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑，rhub為風(fēng)輪輪轂半徑。

(3)

(4)

在軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子確定的情況下，通過公式(5)可以得到葉片不同徑向位置的弦長l和扭角，其中CL是當(dāng)?shù)厝~素對應(yīng)的升力系數(shù)。

(5)

上述動量—葉素理論是進(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動性能分析和外形設(shè)計的基礎(chǔ)。另外，風(fēng)力機(jī)的氣動性能不僅與自身翼型結(jié)構(gòu)和風(fēng)場有關(guān)，還與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝和控制方式有關(guān)。

2 風(fēng)力機(jī)葉片氣動分析模型

根據(jù)動量-葉素理論風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計方法，在額定風(fēng)速10 m/s，以100 kW輸出功率為設(shè)計目標(biāo)，得出葉片的基本氣動外形。該風(fēng)力機(jī)葉是一款應(yīng)用于GL2風(fēng)場的100 kW級風(fēng)力機(jī)葉片，設(shè)計長度11.62 m，在額定風(fēng)速時的額定功率可達(dá)100 kW，屬于變槳控制型葉片，每個風(fēng)輪安裝3個葉片。葉片平面形狀如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片平面形狀

3 氣動性能計算結(jié)果與分析

風(fēng)輪基本性能曲線的計算結(jié)果包括：不同尖速比下對應(yīng)的風(fēng)輪利用系數(shù)、推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)，見圖2-圖4。

圖2 風(fēng)輪利用系數(shù)與葉片尖速比λ關(guān)系

圖3 風(fēng)輪推力系數(shù)與葉片尖速比λ關(guān)系曲線

圖4 風(fēng)輪扭矩系數(shù)與葉片尖速比λ關(guān)系曲線

風(fēng)能利用系數(shù)Cp是風(fēng)輪氣動輸出功率與單位時間內(nèi)通過風(fēng)輪掃掠面積的風(fēng)能的比值，用來表征風(fēng)輪的風(fēng)能利用效率，對于確定的風(fēng)輪外形，風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比、安裝角和雷諾數(shù)有關(guān)，見公式(6)，其中M為風(fēng)輪氣動扭矩，w為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度。推力系數(shù)與扭矩系數(shù)的計算見公式(6)、(8)。

(6)

(7)

CM=CM/λ

(8)

從圖3可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比的增大先增大后減小，當(dāng)尖速比超過λ=7時，風(fēng)能利用系數(shù)已達(dá)到0.45，并且較高風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的尖速比范圍較寬。風(fēng)輪推力系數(shù)隨著尖速比的增大而近似線性增大。扭矩系數(shù)隨著尖速比的增大先增大后減小，在尖速比約λ=6時，扭矩系數(shù)達(dá)到最大值0.66。

為了控制超過額定風(fēng)速下風(fēng)輪軸功率的恒定輸出，通常采用恒速變距的方式進(jìn)行控制。來流風(fēng)速從小到大變化過程中，風(fēng)輪的軸功率、槳距角和風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速的動態(tài)變化規(guī)律見圖5-圖7。

圖5 風(fēng)輪軸功率與來流風(fēng)速關(guān)系曲線

圖6 葉片槳距角與來流風(fēng)速關(guān)系曲線

綜合圖5-圖7可以看出，在風(fēng)速低于9.8 m/s下，葉片槳距角保持不變，然而風(fēng)輪的軸功率和風(fēng)能利用系數(shù)隨著風(fēng)速的增大而急劇增大，并且在來流風(fēng)速7.2 m/s時風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值0.495；當(dāng)風(fēng)速超過9.8 m/s時，隨著風(fēng)速的增大，葉片安裝角逐漸增大，風(fēng)輪軸功率保持110 kW，由于軸功率不變，而來流風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)逐漸減小。

圖7 風(fēng)能利用系數(shù)與來流風(fēng)速關(guān)系曲線

4 氣動載荷計算與分析

4.1 穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)載荷計算

風(fēng)力機(jī)葉片的氣動載荷計算為風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核提供依據(jù)，這里只計算在額定工況下的風(fēng)力機(jī)葉片氣動載荷。

坐標(biāo)系采用葉片載荷坐標(biāo)系，如圖8所示。X軸沿風(fēng)輪主軸線指向塔架，Y軸垂直于葉片軸和主軸，Z軸沿徑向與葉片變槳軸線重合，原點位于葉片根部。

圖8 葉片載荷坐標(biāo)系

氣動載荷計算包括三方向的力和力矩，分別為：FXB，MXB，F(xiàn)YB，MYB，F(xiàn)ZB，MZB。其中FZB值相對很小，不計。計算結(jié)果見圖9—圖13，圖中載荷值均為單個葉片載荷，風(fēng)輪總載荷需乘以葉片數(shù)(B=3)后得到。

圖9 單個葉片氣動載荷Mx沿展向分布

圖10 單個葉片氣動載荷My沿展向分布

圖11 單個葉片氣動載荷Mz沿展向分布

計算結(jié)果表明：葉片載荷(彎矩、扭矩、切向力和軸向力)越靠近葉片根部越大，葉片載荷(除Mz外)均沿展向呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。因此，在葉片越靠近根部所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大。

圖12 單個葉片氣動載荷Fx沿展向分布

4.2 動態(tài)模擬計算

動態(tài)模擬計算是風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷計算中最有價值的部分。這部分計算全面模擬了發(fā)電機(jī)在運行過程中可能遇到的各種工作條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片所承受的載荷情況，尤其是葉根部位的載荷。

參照GB 18451.1—2001標(biāo)準(zhǔn)，本文計算的工

況包括：正常風(fēng)況(NWP)、方向變化的極端持續(xù)陣風(fēng)(ECD)、極端運行陣風(fēng)一年一遇(EOG1)、極端運行陣風(fēng)50年一遇(EOG50)、極端風(fēng)向變化(EDC50)、極端持續(xù)陣風(fēng)(ECG)、停機(jī)狀態(tài)極端風(fēng)速，50年一遇情況(EWM)。表1給出各種工況下葉片根部各個力與力矩值。

圖13 單個葉片氣動載荷Fy沿展向分布

工況Mx/(N·m)My/(N·m)Mz/(N·m)Fx/NFy/NNWP688506412843126239575617-107909ECD1381167434671433611360-194745EOG1147175672713101332973945-195842EOG50145972711292123064105834-19937ECG688506412843126239575617-10791EWM1381167434671433611360-19474

由表1可得：在極端風(fēng)況下葉片承受的載荷要比正常風(fēng)況下的載荷大的多，這在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常有價值的，為后續(xù)的葉片結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度設(shè)計提供原始數(shù)據(jù)。本文提供極端風(fēng)況下葉片根部的氣動載荷，可以為類似尺寸水平軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)校核提供參考數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

根據(jù)修正的葉素-動量理論優(yōu)化設(shè)計了100kW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣動外形，并且對其氣動性能和氣動載荷進(jìn)行了分析。分析表明，所設(shè)計的葉片在尖速比為7.2-11.4時對應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)均在0.46以上，且最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.495 8。該葉片具有較好的氣性能和較寬的風(fēng)速適應(yīng)范圍，能滿足風(fēng)力發(fā)電用的氣動功率要求。

通過對該風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)載荷計算和動態(tài)模擬計算，分別得到了葉片徑向不同位置的穩(wěn)態(tài)氣動載荷以及葉片根部極端氣動載荷，為氣動設(shè)計結(jié)果提供評價和反饋，并為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計等后續(xù)工作提供原始數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Analysis on aerodynamic performance of 100kW horizontal axis wind turbin

ZHU Jian-yong,TIAN Ze

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Based on improved momentum-blade element theory,the aerodynamic configuration design of horizontal axis for a wind turbine blade with rated power of 100kW was optimized.The aerodynamic performance of the wind rotor was calculated.A steady aerodynamic load under normal operating condition and a dynamic aerodynamic load under extreme operating condition was proposed as a reference basis of structure design and strength check.The analysis results show that when the wind speed is 9.8 m/s,the shaft power of wind turbine is up to 110kW,achieving the purpose of the design.When the blade tip speed ratio varies from 7.0 to 11.4,the power coefficient is all above 0.46,and the maximum value is 0.495 8,indicating a preferable aerodynamic performance.Compared with the steady aerodynamic load under normal operation condition,the dynamic aerodynamic load under extreme operation condition increases remarkably.

wind energy;horizontal axis wind turbine;blade;momentum-blade element theory;aerodynamic performance;aerodynamic load

2017-04-28

朱建勇(1987-)，男，講師，博士研究生，主要研究方向：風(fēng)力機(jī)葉片的氣動外形設(shè)計、非定常風(fēng)況風(fēng)力機(jī)氣動特性風(fēng)洞實驗研究，E-mail：michellend@126.com。

2095-1248(2017)03-0026-06

V211

AF07

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.003