L小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

張 浩，宮 俞，楊 瑞

（1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737103；2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

風(fēng)能具有儲量巨大、分布廣泛和清潔可再生等諸多優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對成熟，能夠有效緩解我國能源供應(yīng)困局，改善我國生態(tài)環(huán)境。隨著風(fēng)力機(jī)大型化發(fā)展，設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能較高的風(fēng)力機(jī)，降低發(fā)電成本，是我國風(fēng)力機(jī)行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2017年底我國風(fēng)電累積裝機(jī)容量位列世界第一，在風(fēng)電發(fā)展的伊始階段，我國風(fēng)電制造廠商直接購買國外整機(jī)圖紙，導(dǎo)致一些風(fēng)電場在風(fēng)力機(jī)選型及風(fēng)電場選址等方面存在一定差異，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，暴露出單機(jī)發(fā)電能力不足，風(fēng)能利用率偏低等現(xiàn)象，因此需要對風(fēng)電場設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。葉尖小翼安裝方式簡單，能夠在不破壞葉片整體結(jié)構(gòu)前提下，利用流動(dòng)控制技術(shù)改善葉片表面流動(dòng)，增大風(fēng)力機(jī)輸出功率。20世紀(jì)70年代文獻(xiàn)［1］借鑒機(jī)翼翼稍，提出了在水平軸風(fēng)力機(jī)安裝葉尖小翼的想法。經(jīng)過數(shù)十年的研究Aero Vironment 型葉尖小翼用于小型水平軸風(fēng)力機(jī)，用來提高單機(jī)輸出功率［2］。上個(gè)世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)［3］采用表面油膜方法研究了Mie型葉尖小翼對風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的影響。文獻(xiàn)［4］研究了V型小翼和S型小翼對100 W小型水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。文獻(xiàn)［5］利用遺傳算法設(shè)計(jì)了分裂式葉尖小翼。自然界的風(fēng)，隨機(jī)性強(qiáng)，風(fēng)向變化無法預(yù)知。無論是受偏航系統(tǒng)控制的大、中型水平軸風(fēng)力機(jī)，還是受尾舵控制調(diào)向的小型水平軸風(fēng)力機(jī)，在實(shí)際工作中都不可避免的受來流風(fēng)載方向變化的影響［6］。國內(nèi)外學(xué)者大都研究了小型水平軸風(fēng)力機(jī)未偏航時(shí)，葉尖小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，這里通過數(shù)值模擬方法研究了L小翼對風(fēng)力機(jī)功率影響的主要原因和偏航狀況下L小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

2 風(fēng)力機(jī)模型及其小翼參數(shù)

2.1 風(fēng)力機(jī)模型

這里采用美國可再生能源室設(shè)計(jì)的NREL 5MW［7］風(fēng)力機(jī)葉片作為原型葉片，并在該葉片的基礎(chǔ)上加裝L 小翼作為研究對象。NREL 5MW風(fēng)力機(jī)參數(shù)，如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)基本參數(shù)表Tab.1 Wind Turbine Basic Parameters Table

2.2 小翼參數(shù)

通過前期模擬及參考文獻(xiàn)［8］可知，L小翼與葉片展向夾角β=45°，小翼長度a=2m時(shí)，小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響較大。L小翼幾何參數(shù)定義，如圖1所示。L小翼安裝在葉尖吸力面，L小翼截面形狀與翼型NACA-64翼型一致。其中b=1.417m，與葉尖截面弦長相等，c=6%×b，其位置在40%翼根弦長處；e=70%×b，d=6%×e，其位置在40%翼尖弦長處。

圖1 L小翼幾何參數(shù)定義Fig.1 Design Geometric Variables of L Tip Vane

2.3 計(jì)算域及計(jì)算方法

采用SolidWorks建立三維計(jì)算模型，ICEM劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為了較精確的模擬粘性底層及邊界層流動(dòng)，在L小翼風(fēng)力機(jī)表面生成了邊界層網(wǎng)格，如圖2所示。計(jì)算域由內(nèi)域及外域組成，針對風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的葉尖渦及尾部湍流，風(fēng)輪后尾流區(qū)取5倍的風(fēng)輪直徑，計(jì)算域，如圖3所示。SST k-ω模型結(jié)合了k-ω模型近壁計(jì)算及k-ε模型遠(yuǎn)場計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地模擬風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)雜流場的細(xì)節(jié)［9］。故這里選用SST k-ω模型對風(fēng)輪進(jìn)行流場分析。湍流動(dòng)能和湍流耗散項(xiàng)及動(dòng)量方程均采用二階離散迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。

圖2 L小翼風(fēng)力機(jī)邊界層網(wǎng)格Fig.2 L Tip Vane wind Turbine Boundary Layer Grid

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Calculation Domain Diagram

3 未偏航時(shí)L 小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

3.1 對風(fēng)力機(jī)功率的影響

安裝L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響，如圖4所示。

圖4 L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響Fig.4 Effect of L Tip Vane on wind Turbine Power

由圖4可知在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升效果顯著。風(fēng)速在（3～7）m·s-1范圍內(nèi)，L小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率略大于無小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率；風(fēng)速在（9～15）m·s-1范圍內(nèi)時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升效果先增大后減小，在額定風(fēng)速時(shí)達(dá)到最大值，較無小翼風(fēng)力機(jī)功率增大了0.253MW；風(fēng)速大于15m·s-1后，L小翼對風(fēng)力機(jī)輸出率起到了抑制作用。風(fēng)速較小時(shí)，葉片各個(gè)部分輸出功率相對較小，葉尖輸出功率所占比例較小。安裝L小翼主要對葉尖產(chǎn)生影響，因此風(fēng)速在（3～7）m·s-1時(shí)，加裝L小翼的風(fēng)力機(jī)的功率增長值較小。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速附近時(shí)，葉片出功地方主要集中在葉尖部分，所以風(fēng)速在（9～15）m·s-1時(shí)加裝小翼風(fēng)力機(jī)功率提升效果明顯。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，葉片出功位置由葉尖向葉根移動(dòng)［10］，并且該風(fēng)力機(jī)采用變速變槳控制策略，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，葉片槳距角增大，入流攻角發(fā)生變化，隨著攻角的增大L小翼對抑制葉尖流動(dòng)分離作用逐漸減小，同時(shí)L小翼進(jìn)入失速狀態(tài)，導(dǎo)致L小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率降低。

3.2 功率增升機(jī)理

通過圖4可知，在額定工況下，L小翼對風(fēng)力機(jī)功率提升效果明顯，分析了該風(fēng)速下L小翼葉片和無小翼葉片在葉尖壓力場的變化，如圖5所示。圖5截取了在r/R=0.99處有、無L小翼葉片葉尖壓力云圖，分析可知，葉尖安裝L小翼減小了葉尖吸力面壓力，增大了葉尖壓力面壓力；相比于葉尖壓力面，L小翼對葉尖吸力面的影響較大。安裝L小翼后，吸力面低壓區(qū)范圍明顯增大，并且向前緣位置移動(dòng)；壓力面前緣和尾緣處的高壓區(qū)向中部擴(kuò)展，所以葉尖處安裝L小翼能夠增大葉尖上下表面壓差。

圖5 r/R=0.99處L小翼對葉尖壓力的影響Fig.5 Effect of L Tip Vane on Blade Tip Pressure at r/R=0.99

葉片不安裝L小翼時(shí)，壓力面的氣流繞過葉尖流向吸力面，使壓力面壓力降低，吸力面壓力增大，葉片上下表面壓差減小，升阻比降低。當(dāng)葉片安裝L小翼后，使壓力面氣流在壓力面聚集，壓力面壓力增大；只有少部分氣流繞過葉尖，流向吸力面，相比無L小翼葉片吸力面壓力降低，葉片上下表面壓差增大。風(fēng)力機(jī)功率可表示為p=M×ω，M=FR×r。通過圖5（a）和圖5（b）對比可得：小翼使葉片表面的壓差增大，進(jìn)而提高了葉片的升阻比，增大了葉片的扭矩，增加了風(fēng)力機(jī)的輸出功率。為了進(jìn)一步研究葉尖上下表面壓差增大的原因，提取了有、無L小翼葉尖處速度矢量圖，如圖6所示。

風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中，葉片壓力面的壓力大于吸力面的壓力，由于離心力的作用，葉片表面的附著氣流沿展向有向葉尖流動(dòng)的趨勢。對于有限長的葉片，由于下洗作用，葉尖處壓力面的氣流繞過葉尖流向吸力面，形成了葉尖擾流，附著在葉尖。由于氣體粘性的作用，附著在葉尖的旋渦脫落，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面后，若干脫落旋渦結(jié)合形成了葉尖渦，如圖6（a）所示。在葉尖吸力面安裝L小翼，首先阻擋了氣流流向吸力面，降低了葉尖擾流的下洗速度，改變了葉尖環(huán)量分布，減小了葉尖渦強(qiáng)度，延緩了葉尖處的氣流過早的與葉片分離，因此L 小翼能夠增大葉尖上下表面壓差，提高葉片氣動(dòng)性能，增大風(fēng)力機(jī)輸出功率，如圖6（b）所示。對比圖6可知，與無小翼風(fēng)力機(jī)葉尖渦相比，葉尖渦的位置向后偏移。安裝L小翼打碎葉尖渦，在粘性力的作用下，破碎的葉尖渦快速衰減，減小了上游風(fēng)力機(jī)尾流對下游風(fēng)力機(jī)的影響。

圖6 有、無L小翼葉尖速度矢量圖Fig.6 L Tip Vane Tip Speed Vector with and Without

4 偏航時(shí)L小翼對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

4.1 L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響

通過數(shù)值模擬方法計(jì)算了偏航狀態(tài)下L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響。由圖7（a）可知隨著偏航角度的增大，有、無L小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率均逐漸減小，但有L小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率均大于無小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率。有小翼風(fēng)力機(jī)較無小翼風(fēng)力機(jī)功率增加量隨著偏航角度的增加逐漸減小，偏航角度較大時(shí)，L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響較小。風(fēng)力機(jī)處于偏航狀態(tài)時(shí)，垂直作用于風(fēng)輪凈速度為U∞（cosγ-a），來流風(fēng)速不變時(shí)，隨著偏航角度的增大，垂直作用于風(fēng)輪的凈速度逐漸減小，導(dǎo)致作用于葉片的氣動(dòng)力不斷減小。來流作用于風(fēng)輪的氣動(dòng)力可以分解為垂直于葉片表面的力F和平行于葉片表面的力F′，F(xiàn)′對葉片不產(chǎn)生升阻力作用。將F分解為周向力FR和軸向力FD，未偏航時(shí)葉片周向力FR大于偏航狀態(tài)時(shí)FR，導(dǎo)致葉片升力減小，風(fēng)力機(jī)輸出功率降低，隨著偏航角度的增大，有小翼風(fēng)力機(jī)功率放大作用逐漸減小。分析圖7（b）可得偏航狀態(tài)時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，有無L小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率先增加后保持不變，但L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升作用先增大后減小，在額定風(fēng)速時(shí)最大，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升作用基本消失。該風(fēng)力機(jī)采用變槳控制策略，風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，槳距角增大，葉片攻角發(fā)生變化，葉片表面流動(dòng)分離現(xiàn)象明顯，小翼對葉尖流動(dòng)下洗抑制作用減弱，阻力特性增加，功率放大作用減小。

圖7 偏航狀態(tài)時(shí)L小翼對風(fēng)力機(jī)功率的影響Fig.7 Effect of L Tip Vane on wind Turbine Power at Yaw

4.2 L小翼對葉片轉(zhuǎn)矩及軸向力的影響

由于來流橫向速度分布不均使得來流在各方位角的速度是非對稱分布的，導(dǎo)致葉片載荷和輸出功率有較大的波動(dòng)，極易產(chǎn)生疲勞破壞，影響風(fēng)力機(jī)的正常使用，因此開展偏航狀態(tài)下，L小翼對葉片轉(zhuǎn)矩及軸向力的影響至關(guān)重要。葉片方位角示意圖，如圖8所示。風(fēng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，沿著Z軸正方向葉片方位角為0°。以方位角0°為中線，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，（180～360）°方位角的葉片首先接觸來流，稱為上游葉片，（0～180）°方位角的葉片隨后與來流接觸，稱為下游葉片。偏航角度20°、風(fēng)速11.4m·s-1時(shí)，L小翼對葉片輸出轉(zhuǎn)矩和軸向力的影響，如圖9所示。

圖8 葉片方位角示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Blade Azimuth Angle

從圖中可以看出葉片轉(zhuǎn)矩及軸向力隨方位角呈周期性變化，有L 小翼葉片轉(zhuǎn)矩和軸向力在一個(gè)周期內(nèi)均大于無小翼葉片。隨著方位角的增大，葉片輸出轉(zhuǎn)矩先減小后增大，方位角為180°時(shí)，葉片輸出轉(zhuǎn)矩最小，輸出轉(zhuǎn)矩最大值和最小值之間相差38.7%。這是由于葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，攻角隨方位角呈周期性變化，使得葉片的氣動(dòng)載荷隨之變化，導(dǎo)致葉片輸出轉(zhuǎn)矩及軸向力呈周期性變化。以方位角0°為中線，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，中線兩邊葉片輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)對稱分布，但是由圖9（a）可知葉片處于上游時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩總是大于葉片處于下游時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力機(jī)處于偏航狀態(tài)時(shí)，受上游葉片的擾動(dòng)，作用于下游葉片來流軸向誘導(dǎo)因子增加，同時(shí)由于上游葉片尾流偏斜，導(dǎo)致下游葉片產(chǎn)生非定常誘導(dǎo)速度，葉片氣動(dòng)性能降低，輸出轉(zhuǎn)矩及氣動(dòng)力載荷減小。

圖9 L小翼對葉片轉(zhuǎn)矩和軸向力的影響Fig.9 Effect of L Tip Vane on Blade Torque and Thrust

對比分析有、無L小翼葉片輸出轉(zhuǎn)矩可知，無小翼葉片輸出轉(zhuǎn)矩最大值與最小值之間相差377kN，L小翼葉片輸出轉(zhuǎn)矩最大值與最小值之間相差358kN，較無小翼葉片輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小了2%。同理由圖9（b）可知L小翼葉片較無小翼葉片軸向力波動(dòng)減小了3.5%。綜上所述：在偏航條件下，安裝L小翼能夠降低葉片輸出轉(zhuǎn)矩和軸向力波動(dòng)，改善輸出電能品質(zhì)，提高葉片抗疲勞性能，增加葉片使用壽命。提取了不同方位角下葉片表面的壓力分布，如圖10所示。

在偏航狀態(tài)下，葉根處的壓力隨方位角變化明顯，從葉根到葉尖處，方位角對葉片壓力的影響作用逐漸減小。額定風(fēng)速下，葉片的出功位置主要集中在葉尖r/R=（0.85～1）處，葉根輸出功率較小，但在偏航狀態(tài)下，葉根處的壓力受方位角變化影響較大。對比分析圖10可知安裝L小翼主要影響葉尖處的壓力分布，增大了葉尖處上下表面壓差，增大了葉尖處的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而增大了整個(gè)葉片的輸出轉(zhuǎn)矩，因此安裝L小翼能夠降低葉片上輸出轉(zhuǎn)矩及軸向力的波動(dòng)，提高葉片的抗疲勞性能。

圖10 壓力隨方位角變化圖Fig.10 Pressure Change with Azimuth Angle

5 結(jié)論

（1）安裝L小翼（β=45°、a=2m）能夠在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)增大風(fēng)力機(jī)輸出功率，隨著風(fēng)速的增大L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升效果先增大后減小，在額定風(fēng)速時(shí)增升效果最大。

（2）安裝葉尖小翼降低了葉尖擾流的下洗速度，改變了葉尖的環(huán)量分布，減小了葉尖渦強(qiáng)度，延緩了葉尖處的氣流過早的與葉片分離，增大了葉尖上下表面壓差，提高葉片氣動(dòng)性能，增大風(fēng)力機(jī)輸出功率。

（3）在偏航狀態(tài)時(shí)，隨著偏航角度的增加L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升作用逐漸減?。浑S著風(fēng)速的增大，L小翼對風(fēng)力機(jī)功率增升作用先增加后減小，額定風(fēng)速時(shí)功率增升效果最明顯。

（4）在偏航條件下，L小翼增加了葉片轉(zhuǎn)矩的同時(shí)降低了葉片輸出轉(zhuǎn)矩和軸向力波動(dòng)，改善輸出電能品質(zhì)，提高葉片抗疲勞性能，增加葉片使用壽命。