韓中合, 李 引, 季 劍

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定071003)

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件.為了利用更多的風(fēng)能,風(fēng)輪直徑不斷增加,國(guó)產(chǎn)5 MW 海上風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑已達(dá)115 m.對(duì)于大尺寸風(fēng)力機(jī),風(fēng)輪的垂直高度、風(fēng)力機(jī)所處的地理位置及地形地貌和風(fēng)輪與塔架的相互作用等因素帶來(lái)了氣流的不均勻性[1-13].因此,考慮風(fēng)剪切影響的風(fēng)力機(jī)整機(jī)數(shù)值模擬對(duì)了解和改進(jìn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能具有實(shí)際意義.

采用NUMECA軟件,對(duì)1.3 MW失速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)整機(jī)在8 m/s和13 m/s來(lái)流風(fēng)速下的繞流流場(chǎng)進(jìn)行了全三維定常數(shù)值模擬,分析了葉片不同截面的壓力系數(shù)分布及葉展方向的功率分布、風(fēng)輪三維流場(chǎng)細(xì)節(jié)、下游不同距離處的靜壓分布以及二維相對(duì)速度矢量分布情況.

1 研究模型

1.1 風(fēng)剪切模型

風(fēng)剪切采用的指數(shù)模型[14-15]為

式中:H為高度;HR為參考高度;vR為參考高度處風(fēng)速;ε為風(fēng)剪切指數(shù).

風(fēng)剪切指數(shù)隨地形、地表粗糙度和空氣溫度的變化而變化,其數(shù)值通常取在0.1～0.4,本文中取為0.166 67.

1.2 計(jì)算模型

采用水平軸三葉片失速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)模型[16],風(fēng)輪直徑為61 m,設(shè)計(jì)功率為1.3 MW,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為19.27 r/min,切入風(fēng)速為5 m/s,切出風(fēng)速為25 m/s,額定風(fēng)速為13 m/s.圖1給出了包括機(jī)艙、塔架的風(fēng)力機(jī)三維模型,計(jì)算其在軸向均勻來(lái)流和考慮風(fēng)剪切條件下的三維流動(dòng)情況.圖2為輪轂附近表面網(wǎng)格及局部放大圖.

圖1 風(fēng)力機(jī)三維模型Fig.1 3D model of wind turbine

2 數(shù)值方法及邊界設(shè)定

圖2 計(jì)算網(wǎng)格及局部放大圖Fig.2 Computational g rid with a local zoom

采用NUMECA的FineTM/turbo軟件包進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,選用一方程S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型.計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域見(jiàn)圖3,整個(gè)計(jì)算域向上、下游延伸10R(R為葉片高度),徑向(y方向)延伸5R,葉片截面翼型周圍區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為O4H,其中弦向網(wǎng)格數(shù)113,葉片展向網(wǎng)格數(shù)33,網(wǎng)格總數(shù)約為180萬(wàn).葉片表面大部分區(qū)域Y+＜5.計(jì)算域外邊界均設(shè)為遠(yuǎn)場(chǎng)條件,給定來(lái)流速度分量、靜壓和靜溫等;葉片表面為無(wú)滑移條件.計(jì)算全局殘差收斂到4個(gè)量級(jí)以上,總體性能參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定.

圖3 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域Fig.3 Sketch of computational g rid

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 勻速風(fēng)和剪切風(fēng)條件下的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算了勻速風(fēng)和剪切風(fēng)條件下,軸向風(fēng)速為8 m/s和13 m/s、對(duì)應(yīng)的葉尖速比分別為7.69和4.73兩個(gè)工況下的流體繞流情況.風(fēng)速v=8 m/s時(shí),風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)功率系數(shù)處于較高水平,v=13 m/s是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)額定風(fēng)速.表1對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)功率值進(jìn)行了對(duì)比.由表1可見(jiàn),剪切風(fēng)條件下計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合較好,而均勻風(fēng)速條件下計(jì)算結(jié)果明顯大于設(shè)計(jì)值.這是由于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑較大,垂直高度給風(fēng)速帶來(lái)的不均勻性將會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)較大的誤差.因此,在進(jìn)行大功率風(fēng)力機(jī)數(shù)值計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮風(fēng)的剪切效應(yīng).以下分析均以剪切風(fēng)條件下的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ).

表1 風(fēng)力機(jī)計(jì)算功率值與設(shè)計(jì)值Tab.1 Computed and design data of output power

3.2 不同截面的壓力系數(shù)

圖4給出了來(lái)流風(fēng)速分別為8 m/s和13 m/s時(shí)不同截面的壓力系數(shù)分布圖.相同風(fēng)速下,隨著當(dāng)前截面翼型到葉根處的距離與葉片高度之比(r/R)增加,有效攻角隨之減小(見(jiàn)表2).圖4表明:隨著r/R增加,吸力面負(fù)壓梯度減小,分離區(qū)不斷縮小,截面翼型的氣動(dòng)性能提高,輸出功率增加;但伴隨著負(fù)壓梯度減小,壓力面和吸力面的壓差也隨之減小,輸出功率減少.因此為當(dāng)前截面選擇一個(gè)合適的有效攻角需要從多方面來(lái)考慮.

圖4 v=8 m/s和v=13 m/s時(shí)不同截面的壓力系數(shù)分布圖Fig.4 Pressure coefficient distribution at different sections in the case of v=8 m/s and v=13 m/s

隨著來(lái)流風(fēng)速增加,相同截面的有效攻角也隨之增加(見(jiàn)表2).圖4(a)和圖4(b)相比可知:r/R較大時(shí),相同截面上,隨著來(lái)流風(fēng)速增加,吸力面上各點(diǎn)壓力明顯降低,負(fù)壓梯度增大,分離區(qū)不斷擴(kuò)大,分離線位置提前,而壓力面上各點(diǎn)壓力相近,致使上下壓差增加,輸出功率增加;當(dāng)r/R較小時(shí),有效攻角超過(guò)失速區(qū)域迅速擴(kuò)大,升力系數(shù)下降,翼型的氣動(dòng)性能降低.因此在r/R較小時(shí),適當(dāng)減小有效攻角,提高翼型氣動(dòng)性能,或者選擇適應(yīng)大攻角的翼型,可以提高該部位的輸出功率;而在靠近葉尖的部位,可適當(dāng)增加有效攻角,同時(shí)選擇適應(yīng)小攻角的翼型,可以提高該部位的輸出功率.

表2 不同風(fēng)速下不同截面的有效攻角Tab.2 Effective attack angle at different wind speeds and blade sections

3.3 三維定常模擬流場(chǎng)顯示

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可獲得大量的三維流動(dòng)細(xì)節(jié).圖5為風(fēng)速8 m/s條件下,葉根處三維極限流線圖.由圖5可知,葉根處流線結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,氣流在葉根處的吸力面上分為兩股,分別沿著徑向和軸向流動(dòng).這是由于氣體在吸力面失速分離,有一部分流體在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下沿徑向流動(dòng),另外仍有一小部分氣體向下游流動(dòng).

圖5 三維流場(chǎng)顯示Fig.5 Schematic diagram of the 3D flow field

3.4 z截面上的流場(chǎng)分析

圖6和圖7給出了v=8 m/s時(shí),風(fēng)輪氣流流動(dòng)方向上計(jì)算區(qū)域圓盤(pán)截面的靜壓以及二維相對(duì)速度矢量(wxyz)分布.由圖6和圖7可知,計(jì)算清晰地反映了氣流流經(jīng)風(fēng)力機(jī)前后的變化過(guò)程,尤其是風(fēng)力機(jī)下游尾跡的形成、發(fā)展和湮滅過(guò)程.槳葉逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),與相對(duì)速度相同.尾跡生成后,隨主流向下游運(yùn)動(dòng),并逐漸與主流摻混融合,經(jīng)過(guò)大約兩個(gè)風(fēng)輪直徑(120 m)的距離后,基本消失.塔架與輪轂所在位置下游尾跡處產(chǎn)生的漩渦和干擾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于葉輪面其他部位,如何減小塔架及輪轂對(duì)氣流的干擾作用需要進(jìn)一步研究.

3.5 載荷分布

圖6 不同截面上的二維相對(duì)速度矢量Fig.6 2D velocity vector at different sections in z direction

圖7 不同截面上的靜壓分布Fig.7 Static pressure distribution at different sections in z direction

圖8 應(yīng)力載荷沿葉展方向分布(v=8 m/s)Fig.8 Distributions of stress load along blade span at wind speed of 8 m/s

圖8給出了風(fēng)速v=8 m/s時(shí),軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力載荷沿葉展方向的分布.圖9是風(fēng)速v=8 m/s時(shí),葉展方向單位長(zhǎng)度葉片的輸出功率分布圖.由圖9可見(jiàn),單位長(zhǎng)度葉片的輸出功率穩(wěn)步增長(zhǎng),到r/R=80%處達(dá)到最大值,之后輸出功率迅速下降.葉片上r/R=0.5～0.9處是葉片的主要做功部分,其出力占葉片總出力的65%以上,葉根和葉尖部分出力較少,而葉根部分出力最少.軸向應(yīng)力載荷分布與輸出功率趨勢(shì)基本一致.切向應(yīng)力載荷先急劇增大,在r/R=20%附近達(dá)到最大值,該點(diǎn)與葉片幾何弦長(zhǎng)最大值點(diǎn)吻合.切向應(yīng)力載荷隨后減小,最后達(dá)到較為平穩(wěn)的狀態(tài),在葉尖處又略微增加.

圖9 葉展方向單位長(zhǎng)度葉片的輸出功率變化圖(v=8 m/s)Fig.9 Distributions of output power along blade span at wind speed of 8 m/s

4 結(jié) 論

(1)剪切風(fēng)下,計(jì)算功率值與功率設(shè)計(jì)值吻合較好;均勻風(fēng)速下,計(jì)算結(jié)果明顯大于設(shè)計(jì)值.因此,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑較大時(shí),垂直高度給風(fēng)速帶來(lái)的不均勻性不容忽視.

(2)當(dāng)r/R較小時(shí),適當(dāng)?shù)販p小有效攻角可以提高翼型氣動(dòng)性能,或者選擇適應(yīng)大攻角的翼型,可以提高該部位的輸出功率.而在靠近葉尖的部位,可適當(dāng)增加有效攻角,同時(shí)選擇適應(yīng)小攻角的截面翼型,可以提高該部位的輸出功率.

(3)三維流場(chǎng)表明:葉根部分發(fā)生了明顯的流動(dòng)分離;風(fēng)力機(jī)的尾跡歷經(jīng)大約兩個(gè)風(fēng)輪直徑的距離后,基本消失;塔架與輪轂所在位置的下游尾跡處產(chǎn)生的漩渦和干擾要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葉輪面其他部位.如何減小塔架及輪轂對(duì)氣流的干擾需要進(jìn)一步研究.

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