李德順,陳 霞,李銀然,郭興鐸,王亞娥

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學甘肅省風力機工程技術研究中心,甘肅 蘭州 730050; 3.蘭州理工大學甘肅省流體機械及系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州 730050)

我國地域廣闊,風能可開發(fā)量巨大,其中包括新疆、甘肅、青海等在內的西北地區(qū)風能資源尤為豐富,但是西北地區(qū)頻繁出現的沙塵天氣對風力機的功率輸出產生很大影響,因此風力機磨損機理的研究顯得尤為重要。

國內外相關學者對風力機葉片及翼型的磨損進行了大量研究,Gaudern[1]建立5種磨損模型進行風洞試驗,結果表明不同磨損程度下翼型的升力系數最大下降達6%,阻力系數最大增加達86%;Slot等[2]概述了經過實驗驗證的磨損模型,并表明表面疲勞是造成葉片磨損的主要原因;Khalfallah等[3]通過野外觀測實驗發(fā)現沙漠中運行9個月的風力機功率損失達57%;Soltani等[4]研究了風力機葉片表面發(fā)生污染對其氣動性能的影響;Gharali等[5]研究了前緣磨損深度和寬度對翼型氣動性能的影響,結果表明翼型氣動性能降低主要由翼型磨損寬度引起;Ren等[6]利用數值模擬方法發(fā)現粗糙度臨界高度值為0.3 mm,當粗糙度大于該臨界值后會對翼型氣動性能造成更大影響;王成澤[7]研究了風力機在不同顆粒直徑、顆粒濃度等條件下葉片表面的磨損規(guī)律及磨損機理;王燕[8]對不同磨蝕條件下S809翼型和NREL Phase Ⅵ風力機進行了數值模擬,研究了不同磨蝕條件對翼型和風力機氣動性能的影響。

風力機葉片由于受到風沙環(huán)境的影響,其壽命會大大縮短,1～2年內葉片涂層會老化并脫落[9],第5年是風力機葉片運行周期的關鍵階段[10],因此結合葉片風沙沖蝕磨損的數值模擬,將運行時間分別定為2年、3年、4年和5年,基于模擬結果對翼型逐次進行改型,研究翼型表面磨損的演化過程及不同磨損特征演變的磨損機理。

1 數值模型

1.1 研究對象

為了更全面地研究風力機葉片的磨損過程,研究選取蘭州理工大學外場實驗風力機葉片上不同位置的6個截面翼型,該風力機葉片采用NACA 4418-NACA 4424系列翼型族設計,各個截面位置如圖1所示。各個截面的入流參數由葉素理論計算得到,幾何參數和入流參數見表1。數值模擬過程中來流速度、顆粒質量濃度、顆粒直徑等參數均保持不變,顆粒形狀為球形,忽略顆粒重力,來流風速為7 m/s,風輪轉速為1.2 r/s,顆粒的質量濃度為1×105μg/m3。

圖1 葉片截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of blade section

表1 風力機葉片不同截面幾何參數及入流參數

1.2 計算域及網格劃分

各個截面的網格均采用C型計算域,入口邊界距翼型尾緣點12.5倍弦長,出口邊界距尾緣點16倍弦長,顆粒入射面距離翼型前緣6倍弦長,計算域如圖2所示,其中C表示弦長。

圖2 計算域Fig.2 Calculation domain

1.3 磨損率模型

沖蝕磨損可定義為粒徑小于1 mm的固體松散小顆?；蛄黧w,以一定的速度(粒子速度550 m/s以內)和角度沖擊材料的表面所造成的磨損[11]。一般用材料的磨損率來衡量磨損程度。

磨損模型采用Erosion Model,磨損率[12]定義為

表2 磨損模型參數

1.4 模擬方法驗證

如圖2所示,邊界ABC和CD為速度入口,邊界AE和DE為壓力出口,速度設置為表1中的相對速度,表面壓力設置為0,翼型壁面邊界條件為無滑移邊界條件。湍流模型采用SSTk-ω湍流模型,速度、壓力耦合采用SIMPLEC算法,離散方法采用二階迎風格式。

雷諾數為5×105時,得到的NACA 4418光滑翼型(C=1 m)升力系數、阻力系數的數值模擬與實驗結果[14]對比圖如圖3所示。由圖3可知,攻角在3°～14°范圍內模擬值與實驗值吻合良好,升力系數最大誤差為6%,阻力系數與實驗數據誤差相對較大,但其變化規(guī)律基本一致,這是所有湍流模型均存在的問題[15],所以數值方法可靠。

2 建模方法

6#截面翼型壓力面的磨損率及磨損深度沿弦向的分布如圖4所示。圖4(a)表示表面磨損率分布,通過磨損時間(t)、涂層密度(ρ)和磨損率(E)計算得到對應位置處的磨損深度(h=Et/ρ)。圖4(b)所示的各位置磨損深度進行第1次改型,改型方式為在磨損位置垂直于翼型表面去除同樣深度的涂層材料;在第1次改型的基礎上繼續(xù)對磨損翼型進行數值模擬,得到新的磨損率分布,重復上述改型方法,得到各個截面在不同時期的幾何模型。由于第1次模擬結果翼型前緣出現脫層,結合文獻[9],將第1次磨損時間定為2年,其他3次磨損時間定為1年。

根據不同時期的磨損特征,將葉片表面磨損特征分為3種形式:砂眼、小坑和脫層[16],3種磨損特征的尺寸見表3,其幾何模型見圖5。由于文獻[16]中砂眼和小坑的平均直徑與深度相同,而研究得到的砂眼、小坑的直徑與深度大部分不相同,因此砂眼、小坑和局部脫層的尺寸主要通過表3中的直徑確定,直徑在0～0.51 mm定義為砂眼,直徑在0.51～2.54 mm定義為小坑,直徑大于2.54 mm均定義為局部脫層。

圖3 NACA 4418光滑翼型驗證結果Fig.3 Validation results of NACA 4418 smooth airfoil

圖4 翼型壓力面磨損率及磨損深度沿弦向的分布Fig.4 Distribution of wear rate and wear depth of airfoil pressure surface along the string direction

表3 不同磨損特征尺寸

3 不同時期翼型幾何外形分析

根據數值模擬結果,1#截面翼型沒有發(fā)生磨損,因此對2#～6#截面翼型表面的磨損過程展開研究。各個截面光滑翼型與不同時期磨損翼型表面的幾何外形對比如圖6所示。

圖5 3種磨損的幾何模型Fig.5 Geometric model of three kinds of wear

由圖6可知,2年后2#截面翼型基本沒有發(fā)生磨損,其他截面翼型吸力面和壓力面均出現不同程度的砂眼、小坑和前緣脫層,且與翼型吸力面相比,壓力面磨損區(qū)域更大,砂眼數量更多。3年后2#截面翼型前緣出現輕微磨損,其他截面翼型前緣脫層深度增加,已有砂眼附近出現大量尺寸較小的新砂眼,少數砂眼和小坑局部深度增大。4年后各個截面翼型前緣脫層深度持續(xù)增加,翼型表面新出現的砂眼數量減少,少數相鄰的砂眼和小坑相連,形成了尺寸更大的小坑和局部脫層。隨著運行時間的增加,5年后各個截面翼型表面磨損程度加劇,最大磨損深度達3.8 mm,部分小坑和局部脫層橫向尺寸沿弦線方向繼續(xù)變大,其中6#截面翼型磨損區(qū)域深度最大,磨損最嚴重。

圖6 各個截面翼型不同時期的幾何外形Fig.6 Geometric shapes of each cross-section airfoil at different periods

4 不同磨損特征變化過程機理分析

由圖6可知,風力機翼型磨損特征變化過程分為3個階段:風力機翼型表面產生砂眼;砂眼不斷擴大成為尺寸更大的小坑;小坑發(fā)展成為局部脫層。通過研究翼型表面局部的顆粒軌跡和流線分布,分析翼型磨損特性演化機理。

4.1 第1階段

5#截面翼型表面某一位置處未發(fā)生磨損和出現砂眼后的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖7所示。由圖7(a)可知,翼型表面受到顆粒的碰撞后,會以一定角度在翼型表面發(fā)生反彈。當顆粒跟隨空氣與翼型表面長時間作用后,翼型表面便會出現砂眼,如圖7(c)、(d)所示,由于砂眼改變了翼型的幾何外形,使顆粒與翼型表面的作用點位置發(fā)生變化,一部分顆粒隨空氣進入砂眼內部,在砂眼內壁不斷碰撞反彈;由于黏性力的作用,氣流在砂眼內部形成逆時針旋轉的旋渦。

4.2 第2階段

6#截面翼型表面某一位置處砂眼逐漸發(fā)展成為小坑的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖8所示。由圖8(a)～(d)可知,因為翼型表面幾何形狀發(fā)生變化,更多的顆粒跟隨空氣進入砂眼,并不斷對其內壁進行撞擊,使其橫向尺寸逐漸增大,逐漸發(fā)展成尺寸更大的小坑,原來砂眼內的主渦環(huán)直徑也逐漸增加。由圖8(e)、(f)可知,隨著時間的增加,到達砂眼右壁的顆粒數量增加,碰撞后經反彈大部分顆粒到達砂眼左上角附近,導致砂眼內部左上角附近深度不斷增大,原來砂眼內部渦環(huán)的旋轉運動使該區(qū)域壁面附近誘導出二次渦和徑向流動。5年后顆粒與小坑內壁碰撞次數明顯增多,小坑尺寸繼續(xù)增大,小坑附近出現新的砂眼,部分小坑內部誘導出尺度更大,方向與主渦相反的二次渦,如圖8(g)、(h)所示。

圖7 第1階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.7 Local particle trajectory and flow diagram of the first stage

圖8 第2階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.8 Local particle trajectory and flow diagram of the second stag

4.3 第3階段

5#截面翼型表面某一位置處小坑逐漸發(fā)展成為局部脫層的局部顆粒軌跡圖和流線圖如圖9所示。由圖9(a)～(d)可知,由于顆粒的持續(xù)撞擊,小坑附近出現新的砂眼,顆粒與小坑內壁發(fā)生碰撞后,其運動軌跡改變,與相鄰壁面再次發(fā)生碰撞,導致該區(qū)域深度增加,隨著小坑尺寸變大,原來小坑內的旋渦直徑也有所增大,旋渦下方誘導出二次渦,小坑上方出現明顯流動分離。隨著運行時間的增加,小坑內壁由于顆粒的持續(xù)碰撞尺寸不斷增大,越來越多的顆粒進入小坑,并與小坑右上角附近的壁面發(fā)生碰撞,使小坑沿翼型吸力面向右側不斷擴張,發(fā)展成為小面積脫層,氣流在小坑內部形成的2個旋渦的直徑大幅增加,二次渦的旋轉區(qū)域增加至脫層面積的1/3,砂眼內部的旋渦由于脫層的存在也逐漸消失,如圖9(e)～(h)所示。

圖9 第3階段局部顆粒軌跡圖及流線圖Fig.9 Local particle trajectory and flow diagram of the third stage

5 結論

以蘭州理工大學外場實驗風力機葉片的6個截面為研究對象,采用SSTk-ω湍流模型和DPM模型,對風沙環(huán)境下不同時期翼型表面磨損過程及不同磨損特征變化過程機理進行了研究分析,結果如下:

(1) 2年后各個截面翼型均出現了不同程度的砂眼、小坑和脫層,隨著運行時間的增加,翼型前緣脫層深度不斷增加,翼型吸力面和壓力面不斷出現新的尺寸不一的砂眼,隨著時間的推進,部分相鄰的砂眼和小坑相連,形成尺寸更大的小坑或局部脫層,橫向尺寸沿弦線方向不斷擴大。

(2) 顆粒與翼型表面發(fā)生碰撞后會以一定角度發(fā)生反彈,并與翼型表面發(fā)生多次碰撞,使翼型表面產生一定數量的砂眼,砂眼內部產生旋渦;顆粒在砂眼內部不斷進行撞擊,導致砂眼發(fā)展成尺寸更大的小坑,小坑內旋渦直徑不斷增大,并誘導出徑向流動和二次渦;小坑一側內壁由于顆粒的集中碰撞,沿該側不斷擴張,逐漸發(fā)展成為局部脫層。