L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

L小翼對(duì)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(chǔ)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(duì)成熟，能夠有效緩解我國(guó)能源供應(yīng)困局，改善我國(guó)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(guó)風(fēng)力機(jī)行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2017年底我國(guó)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(guó)風(fēng)電制造廠商直接購(gòu)買國(guó)外整機(jī)圖紙，導(dǎo)致一些風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)力機(jī)選型及風(fēng)電場(chǎng)選址等方面存在一定差異，經(jīng)過(guò)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造。葉尖小翼安裝方式簡(jiǎn)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(guò)數(shù)十年的研究AeroVironment型葉尖小翼用于小型水平軸風(fēng)力機(jī)，用來(lái)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(duì)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(duì)100W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(wú)法預(yù)知。無(wú)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(lái)流風(fēng)載方向變化的影響［6］。國(guó)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(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，這里通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)功率影響的主要原因和偏航狀況下L小翼對(duì)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(guó)可再生能源室設(shè)計(jì)的NREL5MW［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(duì)象。NREL5MW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.1WindTurbineBasicParametersTable2.2小翼參數(shù)通過(guò)前期模擬及Reference［8］可知，L小翼與葉片展向夾角β=45°，小翼長(zhǎng)度a=2m時(shí)，小翼對(duì)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(zhǎng)相等，c=6%×b，其位置在40%翼根弦長(zhǎng)處；e=70%×b，d=6%×e，其位置在40%翼尖弦長(zhǎng)處。圖1L小翼幾何參數(shù)定義Fig.1DesignGeometricVariablesofLTipVane2.3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(duì)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。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ω模型近壁計(jì)算及k-ε模型遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)的細(xì)節(jié)［9］。故這里選用SSTk-ω模型對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行流場(chǎng)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2L小翼風(fēng)力機(jī)邊界層網(wǎng)格Fig.2LTipVanewindTurbineBoundaryLayerGrid圖3計(jì)算域示意圖Fig.3CalculationDomainDiagram3未偏航時(shí)L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響3.1對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響安裝L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響，如圖4所示。圖4L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響Fig.4EffectofLTipVaneonwindTurbinePower由圖4可知在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)L小翼對(duì)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(wú)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)較小，葉尖輸出功率所占比例較小。安裝L小翼主要對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(duì)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(guò)圖4可知，在額定工況下，L小翼對(duì)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(wú)小翼葉片在葉尖壓力場(chǎng)的變化，如圖5所示。圖5截取了在r/R=0.99處有、無(wú)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(duì)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5r/R=0.99處L小翼對(duì)葉尖壓力的影響Fig.5EffectofLTipVaneonBladeTipPressureatr/R=0.99葉片不安裝L小翼時(shí)，壓力面的氣流繞過(guò)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(guò)葉尖，流向吸力面，相比無(wú)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(guò)圖5（a）和圖5（b）對(duì)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(wú)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(guò)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(shì)。對(duì)于有限長(zhǎng)的葉片，由于下洗作用，葉尖處壓力面的氣流繞過(guò)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(guò)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(duì)比圖6可知，與無(wú)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(duì)下游風(fēng)力機(jī)的影響。圖6有、無(wú)L小翼葉尖速度矢量圖Fig.6LTipVaneTipSpeedVectorwithandWithout4偏航時(shí)L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響4.1L小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算了偏航狀態(tài)下L小翼對(duì)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(wú)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(wú)小翼風(fēng)力機(jī)輸出功率。有小翼風(fēng)力機(jī)較無(wú)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(duì)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(lái)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(lái)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響Fig.7EffectofLTipVaneonwindTurbinePoweratYaw4.2L小翼對(duì)葉片轉(zhuǎn)矩及軸向力的影響由于來(lái)流橫向速度分布不均使得來(lái)流在各方位角的速度是非對(duì)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(kāi)展偏航狀態(tài)下，L小翼對(duì)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(lái)流，稱為上游葉片，（0～180）°方位角的葉片隨后與來(lái)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(duì)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.8SchematicDiagramofBladeAzimuthAngle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(wú)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(duì)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(lái)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9L小翼對(duì)葉片轉(zhuǎn)矩和軸向力的影響Fig.9EffectofLTipVaneonBladeTorqueandThrust對(duì)比分析有、無(wú)L小翼葉片輸出轉(zhuǎn)矩可知，無(wú)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(wú)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(wú)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(duì)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(duì)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.10PressureChangewithAzimuthAngle5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(duì)風(fēng)力機(jī)功率增