朱建勇，田 澤

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

100 kW水平軸風力機葉片氣動性能分析

朱建勇，田 澤

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

基于改進的動量-葉素理論，優(yōu)化設計了100 kW水平軸風力機風輪葉片氣動外形，對風輪的氣動性能進行計算，并且給出葉片穩(wěn)態(tài)運轉載荷和極端風況下動態(tài)載荷，作為結構設計和強度校核的依據。計算分析表明：當來流速度達9.8 m/s時，風力機的輸出軸功率可達110 kW，滿足設計指標要求，當尖速比為7.0-11.4的風能利用系數均在0.45以上，且最大風能利用系數為0.495 8，具有較好的氣動性能；相對于正常工況下的穩(wěn)態(tài)運轉載荷，其它極端風況下的動態(tài)載荷顯著增大。

風能；水平軸風力機；葉片；動量-葉素理論；氣動性能；氣動載荷

能源與環(huán)境問題日益突出，積極利用可再生能源是解決這一問題的有效途徑。風力發(fā)電已經成為目前新能源應用中最成熟的技術[1-2]。

風力機是風能轉換為機械能的裝置，風力機葉片是風力機中核心的部件，它直接關系到風力發(fā)電機組的風能利用效率和氣動載荷，很大程度上決定了風力發(fā)電機組的可靠性和風能利用的經濟性[3]。氣動性能計算是風力機設計和校核中的重要環(huán)節(jié)，其計算結果的準確度直接影響風力機葉片外形優(yōu)化設計的優(yōu)劣；風力機葉片強度、剛度以及穩(wěn)定性的校核需要氣動性能的計算結果作為其原始輸入數據，準確的氣動性能計算能夠使校核結果更可信。

目前，評估風輪氣動特性的方法包括基于動量-葉素理論的理論計算、基于有限體積法的數值模擬以及風洞和外場實驗。劉雄等[4]基于片條理論建立了水平軸風力機氣動性能的計算模型，考慮了葉尖損失、輪轂損失、葉柵理論等因素以及相關的修正。周文平等[5]基于升力面模型和時間推進自由尾跡模型對風剪切和動態(tài)來流情況下的風力機的尾跡結構和氣動性能進行了計算，通過與實驗數據比較驗證了模型的有效性。黃知龍等[6]基于片條理論完成了某兆瓦級水平軸風力機氣動設計和性能評估。祝賀等[7]利用相似理論構建風電場三維數值試驗，并通過CFD軟件進行計算。范忠瑤等[8]采用商業(yè)軟件對2.5 MW風力機氣動性能進行數值模擬，分析了風輪三維繞流細節(jié)。包能勝等[9]在回流風洞中開展了小型水平軸風力機襟翼增升實驗研究，探討了襟翼提高風輪氣動效率的可行性。Driss等[10]通過風洞實驗研究了雷諾數對水平軸氣動特性的影響規(guī)律。Kishinami等[11]通過理論和風洞實驗研究了三種不同風輪葉片氣動外形對風輪氣動特性的影響。李德順等[12]基于外場實驗研究了風力機葉片的三維效應，得到了葉片7個不同斷面翼型的壓力分布曲線，指出三維效應突出影響葉尖和葉根的氣動性能。

本文的研究目的是通過修正的動量-葉素理論設計得到100kW水平軸氣動外形，并且理論計算風力機的氣動載荷，計算所得的載荷數據可以為類似尺寸水平軸風力機結構校核提供參考。

1 動量-葉素基礎理論

目前，動量-葉素理論對風力機葉片進行優(yōu)化設計及葉片氣動性能評估，考慮葉片葉尖端和根部損失，引入了葉尖損失系數Ft和輪轂損失系數Fh。綜合動量理論和葉素理論獲得的軸向推力和扭矩求解葉素風能利用系數dCP的最大值，可得到不同葉素對應的含有尖部和輪轂損失系數的軸向誘導因子a和周向誘導因子α′表達式。主要的計算公式為[13-14]

dCP=4(1-α)α′Fλ2

(1)

α′(1+α′)λ2=α(1-αF)

(2)

其中，λ為當地尖速比，φ為當地入流角，F(xiàn)為葉尖和輪轂總的損失系數，見公式(3)、(4)，B為風輪葉片數目，R為風輪旋轉半徑，rhub為風輪輪轂半徑。

(3)

(4)

在軸向誘導因子和周向誘導因子確定的情況下，通過公式(5)可以得到葉片不同徑向位置的弦長l和扭角，其中CL是當地葉素對應的升力系數。

(5)

上述動量—葉素理論是進行風力機氣動性能分析和外形設計的基礎。另外，風力機的氣動性能不僅與自身翼型結構和風場有關，還與風力發(fā)電機組的安裝和控制方式有關。

2 風力機葉片氣動分析模型

根據動量-葉素理論風力機葉片優(yōu)化設計方法，在額定風速10 m/s，以100 kW輸出功率為設計目標，得出葉片的基本氣動外形。該風力機葉是一款應用于GL2風場的100 kW級風力機葉片，設計長度11.62 m，在額定風速時的額定功率可達100 kW，屬于變槳控制型葉片，每個風輪安裝3個葉片。葉片平面形狀如圖1所示。

圖1 風力機葉片平面形狀

3 氣動性能計算結果與分析

風輪基本性能曲線的計算結果包括：不同尖速比下對應的風輪利用系數、推力系數、轉矩系數，見圖2-圖4。

圖2 風輪利用系數與葉片尖速比λ關系

圖3 風輪推力系數與葉片尖速比λ關系曲線

圖4 風輪扭矩系數與葉片尖速比λ關系曲線

風能利用系數Cp是風輪氣動輸出功率與單位時間內通過風輪掃掠面積的風能的比值，用來表征風輪的風能利用效率，對于確定的風輪外形，風能利用系數Cp與尖速比、安裝角和雷諾數有關，見公式(6)，其中M為風輪氣動扭矩，w為風輪旋轉角速度。推力系數與扭矩系數的計算見公式(6)、(8)。

(6)

(7)

CM=CM/λ

(8)

從圖3可以看出，風能利用系數隨尖速比的增大先增大后減小，當尖速比超過λ=7時，風能利用系數已達到0.45，并且較高風能利用系數對應的尖速比范圍較寬。風輪推力系數隨著尖速比的增大而近似線性增大。扭矩系數隨著尖速比的增大先增大后減小，在尖速比約λ=6時，扭矩系數達到最大值0.66。

為了控制超過額定風速下風輪軸功率的恒定輸出，通常采用恒速變距的方式進行控制。來流風速從小到大變化過程中，風輪的軸功率、槳距角和風能利用系數隨風速的動態(tài)變化規(guī)律見圖5-圖7。

圖5 風輪軸功率與來流風速關系曲線

圖6 葉片槳距角與來流風速關系曲線

綜合圖5-圖7可以看出，在風速低于9.8 m/s下，葉片槳距角保持不變，然而風輪的軸功率和風能利用系數隨著風速的增大而急劇增大，并且在來流風速7.2 m/s時風能利用系數達到最大值0.495；當風速超過9.8 m/s時，隨著風速的增大，葉片安裝角逐漸增大，風輪軸功率保持110 kW，由于軸功率不變，而來流風速逐漸增大，導致風能利用系數逐漸減小。

圖7 風能利用系數與來流風速關系曲線

4 氣動載荷計算與分析

4.1 穩(wěn)態(tài)運轉載荷計算

風力機葉片的氣動載荷計算為風力機葉片結構設計和強度校核提供依據，這里只計算在額定工況下的風力機葉片氣動載荷。

坐標系采用葉片載荷坐標系，如圖8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。

圖8 葉片載荷坐標系

氣動載荷計算包括三方向的力和力矩，分別為：FXB，MXB，F(xiàn)YB，MYB，F(xiàn)ZB，MZB。其中FZB值相對很小，不計。計算結果見圖9—圖13，圖中載荷值均為單個葉片載荷，風輪總載荷需乘以葉片數(B=3)后得到。

圖9 單個葉片氣動載荷Mx沿展向分布

圖10 單個葉片氣動載荷My沿展向分布

圖11 單個葉片氣動載荷Mz沿展向分布

計算結果表明：葉片載荷(彎矩、扭矩、切向力和軸向力)越靠近葉片根部越大，葉片載荷(除Mz外)均沿展向呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。因此，在葉片越靠近根部所需的結構強度越大。

圖12 單個葉片氣動載荷Fx沿展向分布

4.2 動態(tài)模擬計算

動態(tài)模擬計算是風力發(fā)電機載荷計算中最有價值的部分。這部分計算全面模擬了發(fā)電機在運行過程中可能遇到的各種工作條件下風力發(fā)電機葉片所承受的載荷情況，尤其是葉根部位的載荷。

參照GB 18451.1—2001標準，本文計算的工

況包括：正常風況(NWP)、方向變化的極端持續(xù)陣風(ECD)、極端運行陣風一年一遇(EOG1)、極端運行陣風50年一遇(EOG50)、極端風向變化(EDC50)、極端持續(xù)陣風(ECG)、停機狀態(tài)極端風速，50年一遇情況(EWM)。表1給出各種工況下葉片根部各個力與力矩值。

圖13 單個葉片氣動載荷Fy沿展向分布

工況Mx/(N·m)My/(N·m)Mz/(N·m)Fx/NFy/NNWP688506412843126239575617-107909ECD1381167434671433611360-194745EOG1147175672713101332973945-195842EOG50145972711292123064105834-19937ECG688506412843126239575617-10791EWM1381167434671433611360-19474

由表1可得：在極端風況下葉片承受的載荷要比正常風況下的載荷大的多，這在葉片結構設計中是非常有價值的，為后續(xù)的葉片結構材料強度設計提供原始數據。本文提供極端風況下葉片根部的氣動載荷，可以為類似尺寸水平軸風力機的結構校核提供參考數據。

5 結論

根據修正的葉素-動量理論優(yōu)化設計了100kW水平軸風力機葉片的氣動外形，并且對其氣動性能和氣動載荷進行了分析。分析表明，所設計的葉片在尖速比為7.2-11.4時對應的風能利用系數均在0.46以上，且最大風能利用系數為0.495 8。該葉片具有較好的氣性能和較寬的風速適應范圍，能滿足風力發(fā)電用的氣動功率要求。

通過對該風力機葉片進行穩(wěn)態(tài)運轉載荷計算和動態(tài)模擬計算，分別得到了葉片徑向不同位置的穩(wěn)態(tài)氣動載荷以及葉片根部極端氣動載荷，為氣動設計結果提供評價和反饋，并為葉片的結構設計等后續(xù)工作提供原始數據。

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(責任編輯：劉劃 英文審校：趙歡)

Analysis on aerodynamic performance of 100kW horizontal axis wind turbin

ZHU Jian-yong,TIAN Ze

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Based on improved momentum-blade element theory,the aerodynamic configuration design of horizontal axis for a wind turbine blade with rated power of 100kW was optimized.The aerodynamic performance of the wind rotor was calculated.A steady aerodynamic load under normal operating condition and a dynamic aerodynamic load under extreme operating condition was proposed as a reference basis of structure design and strength check.The analysis results show that when the wind speed is 9.8 m/s,the shaft power of wind turbine is up to 110kW,achieving the purpose of the design.When the blade tip speed ratio varies from 7.0 to 11.4,the power coefficient is all above 0.46,and the maximum value is 0.495 8,indicating a preferable aerodynamic performance.Compared with the steady aerodynamic load under normal operation condition,the dynamic aerodynamic load under extreme operation condition increases remarkably.

wind energy;horizontal axis wind turbine;blade;momentum-blade element theory;aerodynamic performance;aerodynamic load

2017-04-28

朱建勇(1987-)，男，講師，博士研究生，主要研究方向：風力機葉片的氣動外形設計、非定常風況風力機氣動特性風洞實驗研究，E-mail：michellend@126.com。

2095-1248(2017)03-0026-06

V211

AF07

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.003