陶維翔

(大唐新疆清潔能源有限公司,新疆 烏魯木齊 830001)

0 引言

風電行業(yè)的迅速發(fā)展，促使風電開發(fā)的主力市場逐步轉(zhuǎn)向低風速或超低風速風場(年平均風速為5～6 m/s)。低風速和激烈的市場競爭對風力發(fā)電機組提出了新要求。為保證風電開發(fā)者有較好的投資回報和開發(fā)收益，需要近一步提高風力機組在低風速段的風能捕獲能力。葉片作為風能捕獲器件，其氣動性能直接影響到機組的發(fā)電量。因此，如何提高風力機葉片氣動性能已成為研究人員關(guān)注的重點。在改善風力機葉片氣動性能的研究方法中，相較增加葉片長度和添加控制裝置，葉片改型和優(yōu)化較為簡單、易于實現(xiàn)。

在水平軸風力機葉片修型中，科研人員對添加葉尖小翼的方法進行了有意的探索，并取得了積極進展。文獻[1-2]首先提出了在風力機葉尖添加小翼的想法，同時對添加Delft小翼的的風機葉片進行了理論證明。文獻[3]對S型和V型小翼進行了實驗探究，得出了在不同葉尖速比下，添加葉尖小翼后的風力機功率曲線，同時開發(fā)出了新型的Mie葉尖小翼，證實了葉尖增加Mie型小翼可促進轉(zhuǎn)輪對風能的捕獲。丹麥技術(shù)大學對風力機葉尖小翼技術(shù)進行了研究，指出了扭轉(zhuǎn)和后掠型葉尖小翼可提高風力機葉片效率[4]。挪威國家實驗室對增添葉尖小翼的風力機進行了計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)模擬研究，論證了葉尖小翼能夠提高風能捕獲能力[5]。文獻[6]在風洞開口試驗段采用2維粒子圖像測速 (particle image velocity，PIV) 技術(shù),用實驗的方法研究了葉尖加裝V型小翼葉片的影響。得出小翼對風力機流場影響的主要范圍是在截面r/R=0.86～1.04 pu之間(r為葉片截面到葉根的距離，R為葉片長度),約占主葉片長度的14%左右。文獻[7]探討了添加葉尖小翼對功率的放大作用。文獻[8]采用結(jié)合滑移網(wǎng)格的大渦模擬方法，得出增加葉尖小翼可以減少了葉尖渦能量，降低了葉片的氣動噪聲的結(jié)論。

本文以2 MW水平軸風力機為研究對象，基于數(shù)值計算的方法研究不同風速條件下，添加后掠L型葉尖小翼后的風力機性能；同時與原風力機進行比較，通過分析有無葉尖小翼葉尖部位流場和壓力的分布情況，探討添加葉尖小翼對風力機性能的影響。

圖1 水平軸風力機計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal axis wind turbine calculation model

1 計算模型

本文以某2 MW水平軸風力機為研究對象，建立數(shù)值計算模型，如圖1所示。該計算模型由內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域和外部靜止區(qū)域組成，其中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域為包含風力機風輪在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域。風力機主要參數(shù)如表1所示。圖2為原葉片葉尖和添加葉尖小翼后葉片葉尖模型。其中添加的葉尖小翼為后略L型平板小翼。

表1 2 MW風力機基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 2 MW wind turbine

圖2 風力機葉片葉尖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Blade tip structure of wind turbine

2 數(shù)值計算方法

2.1 k-ε湍流模型

數(shù)值計算模型采用標準k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是求解速度和長度尺度兩變量，適合完全發(fā)展的湍流的二方程模型；在工程上流場計算中，應用最為廣泛，是積累經(jīng)驗最多的模型；對邊界層流、射流和尾跡流等，能夠計算出滿意的結(jié)果；與其他計算模型相比，k-ε模型計算量小，穩(wěn)定性好，適用于低雷諾數(shù)，收斂性好。

2.2 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗證

運用ICEM軟件對風力機計算流域網(wǎng)格按區(qū)域進行劃分，網(wǎng)格的劃分是求解控制方程的基礎(chǔ)。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到模擬計算結(jié)果的精準度。由于風力機葉片結(jié)構(gòu)復雜，若采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分將造成龐大的網(wǎng)格數(shù)量。為減少網(wǎng)格數(shù)量的同時保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量，對計算模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對葉片葉尖區(qū)域網(wǎng)格進行加密，確保在葉片頂部獲得更高的計算精度。添加葉尖小翼后的葉片頂部局部網(wǎng)格如圖3所示。為消除網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響，需要確定所用網(wǎng)格數(shù)量與計算結(jié)果之間無關(guān)聯(lián)性[9]。對原風力機分別在497萬、691萬、876萬、1 104萬、1 356萬網(wǎng)格下進行了模擬，由圖4所示網(wǎng)格無關(guān)性驗證圖可知：隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，功率逐漸穩(wěn)定；在網(wǎng)格超過1 104萬后，功率的變化很小。綜合考慮模擬精度和計算時長的影響，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1 104萬，其中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格493萬，外部靜止區(qū)域網(wǎng)格611萬，添加小翼后內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格為518萬。

圖3 葉尖小翼網(wǎng)格Fig.3 Tip winglet mesh

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證圖Fig.4 Verification of grid independence

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 添加葉尖小翼后葉尖區(qū)域的流場特征

在葉片未添加小翼前，首先對原型風力機在5、7 、9和10 m/s(額定風速為10 m/s)的風速條件下進行了數(shù)值模擬研究，對比了風力機功率的模擬值與風力機功率曲線，如圖5所示。在上述所選的風速條件下，計算功率的誤差范圍在2.49%～4.9%之間，結(jié)果較為精確，可保證數(shù)值模擬的可靠性。

圖5 風力機功率曲線Fig.5 Wind turbine power curve

3.1.1 葉尖區(qū)域速度矢量分布

圖6 葉尖部位速度矢量分布云圖Fig.6 Velocity vector distribution cloud map at leaf tip

圖7 葉片吸力面表面流線圖Fig.7 Streamline map of suction surface of blade

流體通過旋轉(zhuǎn)葉片時，靠近葉片表面的氣體在葉片旋轉(zhuǎn)離心力的作用下有流向葉尖的趨勢，向上運動的氣流與原通過葉尖的氣流混合，使葉尖部位形成了復雜的3維流動。圖6為額定風速下，添加小翼前后葉尖截面速度矢量云圖。圖6(a)顯示了原葉尖截面速度矢量分布，在葉片旋轉(zhuǎn)的作用下，氣流有向葉尖位置流動的趨勢，原型葉片向來流方向彎曲，將對向上流動的氣體產(chǎn)生阻礙，使通過葉尖頂部的氣流混亂復雜并產(chǎn)生回流，造成葉片尖部產(chǎn)生較大的誘導阻力，降低了葉片尖部氣動效率。圖6(b)表明，對比原葉片，添加后掠L葉尖小翼對向上流動的氣流具有導流的作用，小翼通過重整葉尖區(qū)域的氣流，使得通過葉尖的氣流變得平滑流場，有效改變了葉尖部位的雜亂流動和氣體的回流，減小了氣流對葉頂?shù)臎_擊和誘導阻力，提升了葉片尖部的氣動效率。

3.1.2 葉尖吸力面表面流線圖

風力機風輪旋轉(zhuǎn)，將造成葉片前緣和后緣置處流動氣體流動的速度增加，氣流速度增加后，將產(chǎn)生逆壓梯度，造成通過葉片后的氣流分離與流動阻力的增加[10]。圖7為額定風速下風力機葉片吸力面流線圖。如圖7(a)所示，原葉片葉尖部位存在氣體流動分離現(xiàn)象，并形成了一條清晰的分離線：向著葉尖方向，分離線向前緣位置偏移；在接近葉片頂部位置，分離線消失，葉片頂部出現(xiàn)了強烈的3維流動，并產(chǎn)生了不大的旋渦。圖7(b)所示的小翼葉片吸力面流線分布中，葉片尖部流動分離線靠近葉片后緣分離線位置向著葉尖方向未發(fā)生變化，并在葉尖小翼與葉片連接處消失，在整個小翼吸力面上，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的分離流動，同時在葉片頂部未發(fā)現(xiàn)有葉尖渦的存在。

3.2 添加小翼前后葉尖部位壓力分布與力矩變化

3.2.1 葉尖區(qū)域壓力分布

葉尖區(qū)域流場的變化，將影響到葉片葉尖表面壓力分布[11]。在相同的壓力梯度與額定風速下，添加小翼前后葉尖(0.96～1)R處壓力分布如圖8所示。由圖8(a)可見，原葉片吸力面靠近前緣位置壓力值最小，沿著弦線方向，逐漸遞增到葉片后緣位置，在后緣位置達到最大值。添加小翼后，吸力面壓力分布如圖8(b)所示，對比原葉片，后掠L型小翼使吸力面葉片前緣部低壓區(qū)域擴大，在后掠葉尖小翼位置，壓力分布為中低壓區(qū)，且壓力梯度變化不大。圖8(c)為原葉片壓力面壓力分布，壓力面壓力值最大在前緣位置，中間部位壓力最小，通過中間位置、靠近葉片后緣壓力值變大。圖8(d)為小翼葉片壓力面壓力分布，相對原葉片，葉尖小翼增加了葉片壓力面靠近后緣位置的壓力，在后掠小翼位置壓力分布為中高壓區(qū)域，壓力梯度無明顯變化。因此，圖8表明，葉尖小翼增加葉尖部位前后面壓差，作用在葉片上的力變大，轉(zhuǎn)輪力矩變大。

圖8 葉尖區(qū)域壓力分布Fig.8 Pressure distribution in tip region

3.2.2 葉片葉尖力矩變化曲線

圖9 葉尖轉(zhuǎn)矩沿展向分布圖Fig.9 Tip torque distribution along spread direction

風力機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能，帶動發(fā)電機組發(fā)電，產(chǎn)生電能[12]。風力機轉(zhuǎn)輪力矩，決定著風力發(fā)電機組的發(fā)量，添加小翼后，葉片尖部壓力發(fā)生變化，造成葉片對轉(zhuǎn)軸力矩發(fā)生變化。在數(shù)值模擬中，風輪繞Z軸旋轉(zhuǎn)，葉片對Z軸的力矩決定風力機的出力。為此，選取葉片沿葉尖方向的位置為自變量，葉片單位長度對Z軸的力矩為因變量，研究葉尖(0.96～1)R處的轉(zhuǎn)矩分布。在不同計算風速條件下，葉片添加小翼前后力矩變化如圖9所示：在不同的風速下，添加小翼前后，葉片沿葉尖方向力矩變化趨勢基本相同；葉片葉尖部位力矩隨葉片長度遞減迅速，在葉尖位置，力矩值減到最小。添加后掠L型小翼后主要提升對(0.975～0.99)R位置處的葉片轉(zhuǎn)矩：在小翼與葉片后仰位置0.995R處與原葉片力矩幾乎相同；在通過0.955R位置后，小翼部分對Z軸力矩對比同位置處的原葉片也有一定程度的增加；同時，添加葉尖小翼增加了葉片長度，在增加的葉片長度上，力矩變化緩慢，其力矩值均大于原葉頂力矩值。

3.3 風力機總體性能

3.3.1 轉(zhuǎn)輪軸向推力

由壓力降產(chǎn)生的葉片上軸向推力對機組的穩(wěn)定和整個風力機組強度產(chǎn)生影響。表2為不同風速下添加小翼前后葉片上的軸向推力。添加L型小翼后，葉片軸向推力變大，在5 m/s時增幅最大；隨著風速的增加，軸向推力增幅有所減??；達到10 m/s額定風速，增幅略有提升，但整體增幅不大，推力系數(shù)增幅在0.46%～0.81%之間，增幅不明顯。

表2 不同風速下的風力機軸向推力Table 2 Axial push of wind turbine at different wind speed

3.3.2 風力機功率

可根據(jù)如下功率與力矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系計算出風力機捕獲的功率：

(1)

式中：M為力矩，N·m；ω為角速度，rad/s；n為轉(zhuǎn)速， r/min。

風力發(fā)電機的實際發(fā)出功率與風輪捕獲的功率存在傳動損失和電器損失[13]，損失量不會超過轉(zhuǎn)輪捕獲電能的91%，因此風力機實際發(fā)出的功率大約為：P=0.91P1，通過計算得出添加后掠L型葉尖小翼葉片前后，在不同風速條件下的功率如表3所示。與原葉片相比，添加L葉尖小翼，能夠提升風力機組發(fā)電效率；低于額定風速條件，風力機發(fā)出功率均有一定程度的提高。在5 m/s低風速條件下，提升幅度最大，隨著風速的增加，增幅減小，但風速達到額定風速時，增幅有所提升。在計算風速范圍內(nèi)，風力發(fā)電機組發(fā)出功率提升范圍約為3.4%～4.2%，增幅較為明顯。由于壓力降，產(chǎn)生的葉片上的軸向推力對機組的穩(wěn)定和風力機組強度將產(chǎn)生影響。

表3 不同風速下風力機功率Table 3 Wind turbine power at different wind speed

4 結(jié)論

1) 添加L型后略葉尖小翼，可重整通過葉片尖部氣流，葉尖區(qū)域氣體流動變?yōu)槠交鲌?，減小了葉片葉尖區(qū)域誘導阻力，阻斷了葉片吸力面氣流分離的同時，小翼部分出現(xiàn)了穩(wěn)定的氣流分離。

2) 小翼改變了葉片前后壓力面的壓力分布，增加了葉片前后面壓差；壓差的改變使葉片對Z軸的力矩發(fā)生變化，葉片(0.975～0.99)R位置上的轉(zhuǎn)矩變大；同時小翼增加了葉片長度，風輪掃略面積變大，風力機出力增加。

3) L型葉尖小翼提升了風力機的發(fā)電效率，增大了葉片軸向推力，對比風力機功率的增加幅度，軸向推力增幅較小，功率提升幅度約為3.4%～4.2%，提升效果明顯。