趙萬里，李秋彥，劉沛清，朱建勇

（1.華北水利水電學院，電力學院，河南鄭州，450045；2.北京航空航天大學，流體力學教育部重點實驗室，北京，100191）

能源和環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，世界各國先后提出了適合本國國情的新能源戰(zhàn)略[1-7]。風能作為一種相對廉價的清潔新能源得到各國的重視。我國是一個風力資源豐富的國家，風力發(fā)電潛力巨大，自國家提出全國風電“十一五發(fā)展計劃及2020年發(fā)展規(guī)劃”后，風力機的單臺裝機容量由初期的600 kW發(fā)展到了現(xiàn)在的3 MW，兆瓦量級的單臺裝機容量已成為大型風電場的主力。筆者受某風能公司委托，開展了某1 MW新風力機葉片的設(shè)計、性能評估以及葉片載荷計算。

1 計算模型

風力機葉片設(shè)計方法有求解正問題和求解反問題2類，求解正問題是指首先根據(jù)某種規(guī)則設(shè)計出一個葉片，然后根據(jù)該葉片的氣動性能、制造工藝和結(jié)構(gòu)強度要求不斷對葉片進行優(yōu)化，最終使葉片的氣動性能達到設(shè)計者滿意的要求。反問題設(shè)計是指根據(jù)設(shè)計者期望的葉片氣動參數(shù)，通過一系列假設(shè)和經(jīng)驗，通過計算得到葉片的外形參數(shù)[7-9]。

片條理論以軸向和周向干涉因子為變量進行外形設(shè)計，并可對設(shè)計的葉片進行氣動性能的校核，包括風輪在非設(shè)計工況下的性能。片條理論是目前運用最廣風力機軟件的葉片設(shè)計方法和氣動設(shè)計方法，并由此衍生了多種修正方法，修正后的計算結(jié)果與風力機的實際性能具有較好的一致性，本文在采用此方法設(shè)計及優(yōu)化葉片，同時引入葉尖損失和輪轂損失修正、葉柵理論對攻角的修正以及重載運行下的修正問題[10]。主要的計算公式如下

2 風力機葉片氣動外形設(shè)計

2.1 設(shè)計技術(shù)指標

風力機風輪直徑，64.4 m；葉片數(shù)，3片；輪轂高度60 m；額定軸功率，1.1 MW；額定風速，11.2 m/s；風輪額定轉(zhuǎn)速，19.8 r/min。

2.2 翼型參數(shù)

葉片沿徑向所采用的翼形氣動輪廓見圖1（a），翼型的相對厚度沿展向發(fā)生改變。翼形最大相對厚度由根部的約40%逐漸過渡到尖部的約10%，為獲取最大風能利用系數(shù)，盡量選取各翼型剖面的最大升阻比下的攻角為設(shè)計攻角。各翼型剖面不同攻角下的氣動力，在小攻角時采用XFOIL計算，大攻角則采用Fluent商用軟件通過求解不可壓雷諾平均的NS方程，采用SST K-ω湍流模型[11]，圖1（b）為某截面的氣動力系數(shù)。

圖1 風力機葉片翼形剖面外形和氣動力系數(shù)隨攻角變化Fig.1 Airfoil profile of blade and aerodynamic coefficients changes with angle of attack

2.3 葉片氣動外形設(shè)計

葉片氣動外形設(shè)計是指確定葉片沿展向的弦長、扭角和厚度的分布。文獻[12]對于氣動外型設(shè)計方法以及工程上對弦長、扭角以及厚度分布的最優(yōu)化修正進行了詳細的分析，這里不再累述。

3 風力機穩(wěn)態(tài)氣動性能計算

由于氣動性能計算結(jié)果的好壞直接影響風力機槳葉外形優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)劣；因此，氣動性能計算是風力機設(shè)計和校核中的重要環(huán)節(jié)。對風力機葉片進行氣動性能校核，不僅可以作為對設(shè)計結(jié)果的評價；而且氣動性能計算結(jié)果可以作為反饋，為修正槳葉氣動外形提供數(shù)據(jù)。

3.1 性能系數(shù)計算

風力機的葉片性能計算是指在不同尖速比λ（包括了設(shè)計狀態(tài)和非設(shè)計狀態(tài)）下，計算風輪總體氣動性能，對設(shè)計的風輪氣動總體性能進行評估。主要的計算參數(shù)包括：風能利用系數(shù)Cp，扭矩系數(shù)CM和推力系數(shù)CT，它是對風輪氣動性能進行評價最基本的參數(shù)。具體結(jié)果見圖2—圖4。

圖2 風能利用系數(shù)Cp隨λ變化曲線Fig.2 Relationship between Cpand λ

圖3 風能推力系數(shù)CT與葉片尖速比λ關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between CTand λ

圖4 風輪扭矩系數(shù)CM與葉片尖速比λ關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between CMand λ

風能利用系數(shù)Cp曲線圖可以看出，隨著尖速比λ的增大Cp逐漸增大，當λ約等于7.1時，Cp達到最大值0.483，后隨著尖速比λ的值進一步增大，風能利用系數(shù)Cp的值又會逐漸減小?？梢钥闯鯟pmax下的尖速比λ取值正好等于設(shè)計點下的尖速比λ。

3.2 穩(wěn)態(tài)功率輸出計算

該穩(wěn)態(tài)功率的輸出計算以風輪額定轉(zhuǎn)速19.8 r/min，軸輸出功率1.1 MW為目標，通過控制風輪轉(zhuǎn)速和槳距角來實現(xiàn)風力機的最佳運行。風輪的控制方式為：變速變槳距，該控制方式在輸出軸功率未達到額定功率下，葉片槳距角保持不變。軸功率隨來流速度的變化曲線計算結(jié)果見圖5。同時相應(yīng)的其他參數(shù)見圖6—圖8。包括：槳距角的變化規(guī)律、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，及風能利用系數(shù)隨風速的變化規(guī)律，圖中紅色曲線為新葉片，黑色曲線為某風電公司原設(shè)計葉片，從圖中可以看出，新設(shè)計葉片的氣動性能明顯優(yōu)于該公司原設(shè)計葉片。

圖5 軸功率隨來流風速的變化曲線Fig.5 Relationship between shaft power and velocity

圖6 轉(zhuǎn)速隨來流風速的變化曲線Fig.6 Relationship between rotate speed and velocity

圖7 槳距角隨來流風速的變化曲線Fig.7 Relationship between pitch angle and velocity

圖8 風能利用系數(shù)隨來流風速的變化曲線Fig.8 Relationship between Cpand velocity

上面的結(jié)果表明：風輪在風速大于等于切入風速時開始運轉(zhuǎn)，當風輪的輸出軸功率小于額定軸功率時，風輪轉(zhuǎn)速隨風速線性增大，槳距角不變，風輪保持運行于最大風能利用系數(shù)附近，風輪扭矩和軸向推力增大，軸輸出功率以來流風速的三次方關(guān)系遞增。來流風速約11.2 m/s時，達到額定功率（1.1 MW）后，風速進一步增大時，保持風輪轉(zhuǎn)速恒定，通過調(diào)節(jié)槳距角保持輸出軸功率的恒定。由于葉片的迎風面積迅速減小，導(dǎo)致推力值迅速降低。槳距角和尖速比的變化，葉片偏離最佳工作狀態(tài)，風能利用系數(shù)也隨風速的增大不斷降低。

4 風力機氣動載荷的計算

由于風力發(fā)電機運行在復(fù)雜的外界環(huán)境下，所承受載荷情況也非常多，根據(jù)風力機運行狀態(tài)隨時間的變化，可以將載荷情況劃分為靜態(tài)載荷、動態(tài)載荷和隨機載荷。靜態(tài)載荷基本上不考慮風力機運行狀態(tài)的改變，僅考慮環(huán)境條件改變的情況；而動態(tài)載荷和隨機載荷具有時間上和空間上的多變性和隨機性，要想準確計算相對比較困難。由于載荷計算是后續(xù)結(jié)構(gòu)計算和試驗的基礎(chǔ)，本文在計算時，參照IEC61400《wind turbine generator system-Part1：Safety requirements》以及中國船級社風力機組規(guī)范2008計算[13]。

坐標系采用葉片載荷坐標系，如圖9所示。x軸沿風輪主軸線指向塔架，y軸垂直于葉片軸和主軸，Z軸沿徑向與葉片變槳軸線重合，原點位于葉片根部。氣動載荷計算包括3方向的力和扭矩，分別為：FXB，MXB，F(xiàn)YB，MYB，F(xiàn)ZB，MZB。其中FZB值相對很小可以不計。

根據(jù)IEC規(guī)范以及中國船級社風電機組的規(guī)范2008，分別在每個分類工況下，對不同的方位角或入流角以及來流風速分別進行計算，利用軟件進行動態(tài)模擬，在所有工況計算完畢之后，對葉片上的載荷進行統(tǒng)計和分析，得出極限載荷下葉片上的彎矩等參數(shù)的分布，為葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及動力學分析提供依據(jù)，表1給出某1 MW風力機葉片載荷的極限值。

圖9 葉片載荷坐標系Fig.9 Coordinate of blade load calculation

表1 某1 MW風輪葉片載荷的極限值Tab.1 Limit loads of blade for a 1 MW wind turbine

對于疲勞載荷計算，進行年壽命里的雨流統(tǒng)計，得出其載荷譜，然后按等效損傷原理進行等效疲勞載荷計算，得出葉片的等效疲勞載荷譜，并在此基礎(chǔ)上計算葉片的疲勞損傷和進行疲勞試驗。表2給出某1 MW風力機葉片在根部1.2 m處各參數(shù)的等效載荷，圖10給出風力機葉片在根部1.2 m處Mx的疲勞載荷譜。

表2 某1 MW風力機葉片在根部1.2 m處各參數(shù)的等效載荷Tab.2 The equivalent load at the root of 1.2 m for a 1 MW wind turbine blades

圖10 葉片在根部1.2 m處Mx疲勞載荷譜Fig.10 Fatigue load spectrum Mx at the root of the 1.2 m blade

5 結(jié)語

利用修正的片條理論完成了某1 MW風力機的設(shè)計及性能評估，結(jié)果表明：來流風速11.2 m/s時，風輪轉(zhuǎn)速19.8 r/min，風力機的輸出軸功率達到額定功率（1.1 MW），風能利用系數(shù)Cpmax約0.483，功率輸出特性曲線平滑；且該風力機低速特性較好，具有較高的風能利用系數(shù)。按照IEC以及中國船級社風電機組安全規(guī)范對不同運行工況下的載荷進行計算，得出葉片的極限載荷和疲勞載荷，為進行葉片疲勞損傷和疲勞試驗提供參考。

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