擾流板對風(fēng)電機(jī)組葉片三維氣動 性能影響的研究

葛文澎，吳 迪，苗得勝，王亞娥

(明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，中山 528400)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組已逐步向大型化、長葉片方向發(fā)展。在實(shí)際工程應(yīng)用中，受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度制約，葉片根部區(qū)域的葉片弦長被裁剪，使其未能達(dá)到葉素動量理論的理想設(shè)計，而且還會導(dǎo)致翼型厚度較大。翼型厚度較大易造成流動分離現(xiàn)象，難以向葉片提供有效升力，從而降低了風(fēng)能利用率[1]。因此，如何控制和改善風(fēng)電機(jī)組葉片根部的氣動性能成為行業(yè)研究熱點(diǎn)之一。

按作用方式不同，流體控制技術(shù)可分為主動式和被動式2種。主動式流體控制技術(shù)需要利用輔助能量對流動進(jìn)行合適的干擾，可根據(jù)主流工況的變化來及時調(diào)整流動參數(shù)；被動式流體控制技術(shù)是無輔助能量消耗的流體控制方式，是目前葉片流體控制常采用的技術(shù)[2]。文獻(xiàn)[3-6]研究了渦流發(fā)生器(VGs)對翼型動態(tài)失速的影響，研究結(jié)果顯示：VGs可以提高翼型升力系數(shù)，尤其是能夠增大失速功角，但在實(shí)際工程中，由于在葉片上畫線安裝較為繁瑣，會影響工程進(jìn)度。文獻(xiàn)[7]研究了翼型開縫對大功角下流動分離的影響，開縫位置位于分離點(diǎn)附近時氣動性能最好，但隨著開縫位置后移，開縫對流動控制的控制效果會變差。文獻(xiàn)[8-9]開展了前緣結(jié)節(jié)對仿生翼型氣動性能的研究，研究結(jié)果表明：波狀前緣可以改變前緣的壓力分布，使附著吸力面的流動區(qū)域擴(kuò)大，改善了翼型的失速特性，但由于存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命等問題，這種設(shè)計當(dāng)前還處于研究階段。

目前，多數(shù)研究集中于單一厚度比的標(biāo)準(zhǔn)翼型，而事實(shí)上在葉片根部做了較大的結(jié)構(gòu)過渡，葉輪轉(zhuǎn)動過程中流動沿葉片展向存在三維效應(yīng)，使葉片根部存在較為復(fù)雜的流動分離現(xiàn)象，而且大型葉片的壓力面和吸力面的壓力曲線會出現(xiàn)交叉，嚴(yán)重影響葉片的輸出功率。本文以某5.0 MW風(fēng)電機(jī)組的長度為81 m的葉片為研究對象，闡述了基于計算流體動力學(xué)(CFD)軟件STAR-CCM+的葉片氣動仿真建模過程，詳細(xì)討論了葉片表面流線、壓力值及繞流場等沿流向的演變過程，并對擾流板的作用效果進(jìn)行分析，以便于為工程設(shè)計提供參考。

1 葉片氣動性能仿真模擬方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

某5.0 MW風(fēng)電機(jī)組的主要參數(shù)如表1所示。

表1 某5.0 MW風(fēng)電機(jī)組的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of a 5.0 MW wind turbine

該風(fēng)電機(jī)組采用三葉片，擾流板安裝于葉片壓力面靠近后緣的位置，距離葉片根部節(jié)圓2～11 m的范圍內(nèi)，即占據(jù)葉片展向長度的2.4%～13.6%，如圖1所示。擾流板選取3組安裝高度，即84、168和336 mm，安裝擾流板的葉片編號分別記為RS1、RS2、RS3，分別對應(yīng)相應(yīng)高度的擾流板；未安裝擾流板的葉片編號記為NORS。

圖1 擾流板安裝位置(單位：m)Fig. 1 Spoiler installation position (unit: m)

計算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域，其核心區(qū)網(wǎng)格如圖2所示。采用多面體和正交六面體混合網(wǎng)格劃分形式，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量取3450萬個，安裝了擾流板的葉片表面的網(wǎng)格如圖3所示。未安裝擾流板的葉片和安裝了擾流板的葉片的計算域網(wǎng)格劃分方式和數(shù)量保持一致。本文采用CFD軟件STAR-CCM+，湍流模型選取SSTk-ω[10]，離散方式采用二階迎風(fēng)格式。

圖2 計算域核心區(qū)網(wǎng)格Fig. 2 Mesh of core area of computational domain

圖3 安裝了擾流板的葉片表面的網(wǎng)格Fig. 3 Mesh of blade surface with spoiler

1.2 邊界條件及計算工況

進(jìn)口設(shè)為速度入口條件，兩側(cè)面為對稱邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壓力值為1 bar，葉片表面為無滑移壁面邊界條件。由于該風(fēng)電機(jī)組采用變槳控制法，只有當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，葉片槳距角才會發(fā)生改變，而本文暫不考慮葉片變槳工況，因此，選取來流風(fēng)速分別為5、8 m/s，對應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速分別為6.8、10.5 rpm。

1.3 計算結(jié)果驗(yàn)證

工程中常采用Bladed軟件進(jìn)行葉片的氣動性能設(shè)計，其是以葉素理論為基礎(chǔ)，輔以葉尖渦損失模型等來獲得整個葉片的氣動數(shù)據(jù)[11-12]。本文以Bladed軟件的計算結(jié)果作為對比依據(jù)，通過Bladed和STAR-CCM+計算得到的葉輪推力和軸端輸出功率結(jié)果如表2所示。

表2 2種軟件計算得到的葉輪推力和軸端輸出功率Table 2 Impeller thrust and shaft end output power calculated by two kinds of software

從表2中可以看出：采用STAR-CCM+軟件計算得到的葉輪推力值和軸端輸出功率與采用Bladed軟件計算得到的值之間的偏差均小于5.0%，因此，STAR-CCM+軟件的仿真精度可以滿足計算要求。

2 計算結(jié)果分析

2.1 擾流板對葉片周圍流場的影響

擾流板能夠破壞葉片表面流體的連續(xù)性，對葉片周圍流場產(chǎn)生影響。以未安裝擾流板的葉片(NORS)和安裝擾流板的葉片(RS3)為例，進(jìn)行葉片三維氣動性能仿真。風(fēng)速取8.0 m/s，提取葉片展向長度2.5%、6.0%、10.0%這3個位置處的截面，對比NORS與RS3的流體速度分布，如圖4～圖6所示。其中，來流方向?yàn)樽宰笙蛴?x軸)，葉根段的扭角較小，葉片運(yùn)動方向?yàn)榍熬壪蛳隆?/p>

圖4 葉片展向長度2.5%截面處2種葉片的流體速度分布Fig. 4 Fluid velocity distribution of two types of blades at 2.5% section of blade spanwise length

圖5 葉片展向長度6.0%截面處2種葉片的流體速度分布Fig. 5 Fluid velocity distribution of two types of blades at 6.0% section of blade spanwise length

從圖4～圖6可以看出：當(dāng)近物面流體法向速度與葉片旋轉(zhuǎn)速度相同時，葉片的近流場流體速度較快。在葉片展向長度2.5%截面處，葉片翼型呈圓形，由于擾流板破壞了壓力面流體的貼體流動，使后緣不再有明顯的速度分層現(xiàn)象。在葉片展向長度6.0%和10%截面處，擾流板對葉片周圍流場產(chǎn)生了明顯的擾動作用，壓力面前緣到擾流板之間的流速降低，低速區(qū)域擴(kuò)大，有利于提高葉片表面壓力；同時，擾流板降低了后緣速度梯度，增大了流場的湍流度，減小了葉片因流動分離引起的壓力損失。綜上可知：葉片上越靠近葉根處，擾流板引起的吸力面流速增大越明顯，流動分離后的尾跡相對較長。因此，擾流板可以減弱壓力面流速，增強(qiáng)吸力面流速，從而增大葉片兩面的壓力差。

圖6 葉片展向長度10.0%截面處2種葉片的流體速度分布Fig. 6 Fluid velocity distribution of two types of blades at 10.0% section of blade spanwise length

2.2 擾流板對葉片吸力面流線的影響

流線能夠很好地反映葉片根部的流動分離位置，以風(fēng)速8 m/s為例，比較不同安裝高度的擾流板對葉片吸力面流線的影響，如圖7所示。

圖7 不同葉片的吸力面流線Fig. 7 Suction surface streamlines of different blades

從圖7中可以看出：4種葉片吸力面均出現(xiàn)明顯流動分離現(xiàn)象，分離線可延伸至葉片弦長最大處，這說明擾流板不能徹底消除大型葉片根部的流動分離現(xiàn)象，但其對葉片根部節(jié)圓流線的影響較大；隨著擾流板高度增大，葉片根部節(jié)圓處流體出現(xiàn)紊亂，不再有序分離，擾流板增大了流體的湍流度；同時，RS1、RS2、RS3的整體分離線相對NORS的向后緣偏移，起到延緩葉片根部流動分離的作用。

2.3 擾流板對葉片表面壓力的影響

擾流板改變了葉片周圍的流場，使葉片表面壓力重新分布，對NORS和RS3的壓力面壓力分布進(jìn)行對比，具體如圖8所示。

圖8 不同葉片的壓力面壓力分布對比Fig. 8 Comparison of pressure distribution on pressure surface of different blades

由圖8可知：葉片安裝擾流板后，其安裝側(cè)的高壓區(qū)域面積擴(kuò)大，尤其是在靠近擾流板的位置，壓力值的增長較為明顯。

NORS和RS3的吸力面壓力分布如圖9所示。

圖9 不同葉片的吸力面壓力分布對比Fig. 9 Comparison of pressure distribution on suction surface of different blades

從圖9中可以看出：受擾流板影響，RS3吸力面前緣高壓區(qū)域縮小，負(fù)壓值增大，從而增大了葉片兩面的壓力差，這將提高葉片軸端的輸出功率。

無量綱壓力系數(shù)Cp可定義為：

式中：p為葉片表面壓力；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；ρ為空氣密度；U0為入口風(fēng)速；ω為葉輪轉(zhuǎn)速；r為葉片截面距輪轂中心的距離。

NORS、RS1、RS2和RS3不同截面處的壓力系數(shù)分布如圖10所示。其中：x為截面局部坐標(biāo)系弦長方向各處到前緣的距離；c為翼型弦長。

從圖10中可以看出：NORS各截面處在x/c＞0.6時，吸力面的壓力值高于壓力面，兩個面的壓力系數(shù)曲線出現(xiàn)了明顯的交叉；而增加擾流板后，在葉片展向長度2.5%、6.0%截面處的壓力系數(shù)曲線交叉現(xiàn)象均消除，在葉片展向長度10%、12%截面處則減緩了葉片壓力交叉，同時，擾流板能夠降低壓力斜率，延緩流動分離，擾流板的安裝高度越高，葉片兩面壓力差越大。在葉片各截面處，擾流板效果為RS3＞RS2＞RS1。

2.4 擾流板對葉片推力和軸端輸出功率的影響

葉片軸端輸出功率P可表示為：

式中：M為三葉片的合力矩，力矩方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致。

擾流板安裝于距離葉片根部節(jié)圓2～11 m的范圍內(nèi)，提取單位長度葉片受到的推力和力矩大小，4種葉片根部受到的推力和力矩沿葉片展向的變化曲線分別如圖11和圖12所示。

圖11 4種葉片根部受到的推力對比Fig. 11 Comparison of thrust on the root of four types of blades

圖12 4種葉片根部受到的力矩對比Fig. 12 Comparison of moment on the root of four types of blades

結(jié)合圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)：在擾流板與葉片根部節(jié)圓的距離為0～12 m范圍內(nèi)，RS1、RS2、RS3受到的推力和力矩均遠(yuǎn)高于NORS的；距離大于12 m后，4種葉片根部的受力逐漸趨于一致。由此可知，擾流板能夠增加葉片軸端的輸出功率。此外，擾流板安裝高度越高，力矩提升效果越明顯，但工程應(yīng)用中增大風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的同時也要考慮擾流板帶來的附加荷載。

以5 m/s和8 m/s風(fēng)速下NORS的軸端輸出功率為基準(zhǔn)值，得到RS1、RS2、RS3的軸端輸出功率及其增幅，具體如表3所示。

從表3中可以看出：RS3在單風(fēng)速下的軸端輸出功率增幅至少為2.3%。

表3 不同葉片的軸端輸出功率Table 3 Shaft end output power of different blades

3 結(jié)論

本文采用CFD軟件模擬了擾流板對大型葉片三維氣動性能的影響，得到如下結(jié)論：

1) 采用多面體和正交六面體混合網(wǎng)格、SSTk-ω模型能夠很好地模擬葉片的氣動性能，且仿真結(jié)果與Bladed軟件的結(jié)果基本吻合。

2)大型葉片未安裝擾流板時，在葉根部吸力面存在較大流動分離現(xiàn)象，分離線可延伸至葉片弦長最大處；葉片根部前緣到后緣60%～100%范圍內(nèi)吸力面壓力高于壓力面，壓力曲線出現(xiàn)了交叉，降低了葉片軸端的輸出功率。

3) 擾流板能夠使葉片根部的流動分離線向后緣方向移動，一定程度上破壞了分離線連續(xù)性，同時可以緩減或消除葉片根部截面壓力曲線交叉現(xiàn)象，降低流動方向壓力斜率，提高葉片兩面壓力差。

4) 擾流板高度越高，葉片兩面的壓力差越高，軸端輸出功率提升越明顯。在低于額定風(fēng)速下，葉片上擾流板安裝高度為336 mm時，其軸端輸出功率比未安裝擾流板時提升2.3%～2.5%。輸出功率增長的同時也會帶來葉片推力的增長，擾流板實(shí)際應(yīng)用時也要考慮葉片的附加荷載。