李新凱，劉蔚，張廷軍，王佩明，趙健，孫曼杰

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

0 引言

雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的主要因素之一。風(fēng)電機(jī)組的本體結(jié)構(gòu)高聳突出，且常位于曠野或山區(qū)地帶，是地面上容易受到雷電直擊的大型金屬性結(jié)構(gòu)體[1]。同時，由于風(fēng)電機(jī)組葉片葉尖的對地高度隨機(jī)組單機(jī)容量的增大而不斷增加，風(fēng)電機(jī)組在空間引雷的效果明顯增強(qiáng)。這導(dǎo)致大容量機(jī)組的雷擊損壞事故率進(jìn)一步上升[2]。歐美以及日本等國的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明[3]，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所遭受的絕大多數(shù)雷擊的雷擊點(diǎn)位于機(jī)組的葉片[4]。巨大的雷電流通常由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片注入機(jī)組，并常在葉片的內(nèi)部或表面形成電弧?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的葉片都是由復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(俗稱玻璃鋼)，制成的大型中空結(jié)構(gòu)體。這些復(fù)合材料耐受高溫的性能較差，因此電弧會造成葉片的嚴(yán)重?fù)p壞。據(jù)統(tǒng)計，由雷擊引起的風(fēng)電機(jī)組葉片損壞的年故障率約5%。大容量風(fēng)電機(jī)組葉片的雷擊防護(hù)已成為制約風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性水平提升的瓶頸問題之一。

目前，風(fēng)電機(jī)組葉片的防護(hù)設(shè)計主要依據(jù)國際電工委員會IEC在2002年頒布的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷推薦標(biāo)準(zhǔn)IEC/TR 61400-24[5]進(jìn)行。但依據(jù)IEC/TR 61400-24設(shè)計的風(fēng)電機(jī)組雷電接閃防護(hù)系統(tǒng)存在失效率高的問題。這是因?yàn)镮EC/TR 61400-24僅給出了一般性和經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計原則，未充分考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷擊過程上行先導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)理和上、下行先導(dǎo)接閃機(jī)理，因此無法給出定量化的設(shè)計條款和具體的實(shí)施細(xì)則。

對雷擊過程的機(jī)理研究最早可以追溯到1760年富蘭克林發(fā)明了避雷針[6]。雷擊過程的機(jī)理研究需以雷擊模擬實(shí)驗(yàn)獲得的雷擊過程為基礎(chǔ)。近年來，由于高電壓實(shí)驗(yàn)手段不斷建立和完善，雷擊過程的機(jī)理研究取得了長足進(jìn)展。特別是20世紀(jì)60—70年代，高壓長空氣間隙放電實(shí)驗(yàn)極大地推動了人類對雷擊現(xiàn)象和雷擊過程的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，雷擊過程的某個階段(如上行先導(dǎo)的起始和發(fā)展)也已經(jīng)被證明可以通過雷擊模擬實(shí)驗(yàn)利用沖擊高壓發(fā)生器產(chǎn)生的雙指數(shù)沖擊電壓波制造空氣放電來模擬[7-14]。

通過對國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組雷擊接閃過程及機(jī)理研究現(xiàn)狀以及葉片接閃系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的全面分析，可以得出目前的研究還存在不足[15-16]。需要在明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊接閃機(jī)理的前提下研究新型雷擊接閃防護(hù)系統(tǒng)。

基于雷擊接閃機(jī)理，本團(tuán)隊提出了一種在葉片外表面敷設(shè)導(dǎo)體的方案[17]，用于屏蔽下引線起始上行先導(dǎo)，從而達(dá)到保護(hù)葉片本體的目的。本文基于上述研究成果，采用計算流體力學(xué)(CFD)方法研究了外敷導(dǎo)體直徑對風(fēng)力機(jī)專用翼型DU93-W-210翼型氣動性能的影響規(guī)律。

1 幾何模型及數(shù)值方法

1.1 幾何模型

數(shù)值計算對象為DU93-W-210翼型，相對厚度21.0%，尾緣厚度0.5%。計算幾何模型如圖1所示。

圖1 計算幾何模型

外置導(dǎo)體布置于翼型壓力面(迎風(fēng)面)；導(dǎo)體距前緣、尾緣為0.1C(C為翼型弦長，C=1 m)。

導(dǎo)體直徑用D表示，分別研究了D為2，3，4，5，6，7，8，9，10 mm時對翼型氣動特性的影響。

1.2 數(shù)值方法

計算網(wǎng)格：采用ICEM(網(wǎng)格劃分軟件)進(jìn)行全域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對翼型尾緣及下游部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，計算翼型為2D網(wǎng)格，翼型周向布置380個網(wǎng)格，徑向布置357個網(wǎng)格，第1層網(wǎng)格高度0.001 mm，保證y+<1(y+是壁面第1層網(wǎng)格高度的1/3與當(dāng)?shù)亓黧w黏度長度的比值)。計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格

邊界條件：計算域?yàn)?0C。采用速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，葉片表面及外置導(dǎo)體設(shè)置為無滑移壁面。邊界條件設(shè)置如圖3所示。

圖3 計算邊界條件

求解設(shè)置：基于Fluent求解器，SA(Spalart Allmaras)湍流模型，二階精度；計算攻角：0°，4°，8°，12°，16°，20°；計算雷諾數(shù)：Re=1×107。

2 計算結(jié)果分析

2.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

以未加外置導(dǎo)體的潔凈翼型為例進(jìn)行數(shù)值方法驗(yàn)證，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在華北電力大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺完成，由于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雷諾數(shù)為1×106，所以驗(yàn)證時，計算雷諾數(shù)也為1×106。圖4為DU93-W-210翼型氣動特性，圖4中：α為翼型攻角，(°)；Cl為升力系數(shù)，無量綱值；Cd為阻力系數(shù)，無量綱值。從圖4中可以看出，在翼型最大升力系數(shù)處(8°攻角)，計算值與實(shí)驗(yàn)值差別較大。在其余攻角時，無論是升力系數(shù)還是阻力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值差別較小，從而驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性。

圖4 DU93-W-210翼型氣動特性

2.2 結(jié)果分析

圖5翼型氣動特性隨攻角的變化規(guī)律，圖例中：“無導(dǎo)體”表示未敷導(dǎo)體翼型；2 mm，3 mm等表示翼型外敷導(dǎo)體直徑。由圖5可見，當(dāng)翼型雷諾數(shù)為1×107，無導(dǎo)體翼型失速攻角約16°時，最大升力系數(shù)可達(dá)1.90左右。當(dāng)翼型外敷導(dǎo)體后，在翼型升力系數(shù)的線性段，升力系數(shù)的絕對值差別較小，只有在20°攻角時差別較大。阻力系數(shù)在0°，20°攻角時差別較大，其余攻角時阻力系數(shù)絕對值差別不大。升阻比基本隨導(dǎo)體直徑線性降低，最大升阻比對應(yīng)的攻角為4°。當(dāng)D=10 mm，在攻角等于20°時，翼型升力系數(shù)下降，阻力系數(shù)增加，升阻比降低；當(dāng)D=2～9 mm，在攻角等于20°時，升力系數(shù)增加，阻力系數(shù)變化較小。

圖5 翼型氣動特性隨攻角的變化規(guī)律

圖6為翼型氣動特性隨導(dǎo)體直徑的變化規(guī)律。圖中，橫坐標(biāo)為不同導(dǎo)體直徑，縱坐標(biāo)分別為升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比。由圖6可見，隨著導(dǎo)體直徑D的增加，翼型升力系數(shù)總體上呈下降趨勢，阻力系數(shù)呈上升趨勢，升阻比下降；翼型升力系數(shù)、升阻比基本與導(dǎo)體直徑呈線性變化趨勢；0°攻角時，升力系數(shù)變化趨勢與其余攻角相差不大，阻力系數(shù)增加斜率變大，升阻比下降斜率最大。

圖7是不同導(dǎo)體直徑的翼型氣動特性較潔凈翼型的變化率。橫坐標(biāo)是導(dǎo)體直徑，縱坐標(biāo)是變化率。由圖可見，0°攻角時，帶導(dǎo)體翼型升力系數(shù)下降最多，當(dāng)導(dǎo)體直徑為10 mm時，升力系數(shù)最多下降10%左右。4°～16°攻角時升力系數(shù)下降相差不多，升力系數(shù)平均下降了3%左右。20°攻角時，除了D=10 mm時，其余導(dǎo)體直徑對應(yīng)的升力系數(shù)較潔凈翼型有所增加，究其原因是因?yàn)榇藭r潔凈翼型已經(jīng)失速，而帶導(dǎo)體翼型類似于轉(zhuǎn)捩帶作用，一定程度上抑制了翼型失速。對于阻力系數(shù)，當(dāng)翼型攻角為0°時，帶導(dǎo)體翼型阻力系數(shù)增加最大，斜率也最大。除了20°攻角，其余攻角時阻力系數(shù)變化斜率基本一致，阻力系數(shù)增加的平均值在7%左右。對于升阻比，除了20°攻角，其余攻角帶導(dǎo)體翼型升阻比均有所下降。0°攻角時，升阻比下降斜率最大，最大升阻比在D=10 mm時，下降約56%。4°～16°攻角時升阻比平均下降7%左右。

圖7 不同導(dǎo)體直徑的翼型氣動特性較潔凈翼型的變化率

圖8為不同導(dǎo)體直徑的翼型截面速度云圖。由圖可見，導(dǎo)體對翼型繞流場的影響主要集中在導(dǎo)體下游速度場。隨著導(dǎo)體直徑的增加，導(dǎo)體下游的低速區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。

圖9為4°攻角時，不同導(dǎo)體直徑的翼型表面壓力系數(shù)分布(圖中，橫坐標(biāo)為當(dāng)?shù)匚恢脁與翼型弦長C之比；縱坐標(biāo)Cp為翼型表面壓力系數(shù))。導(dǎo)體對翼型一周壓力系數(shù)的影響主要集中在導(dǎo)體上、下游。由于導(dǎo)體存在，在導(dǎo)體上游翼型表面壓力變高，導(dǎo)體下游翼型表面壓力變低。這是由于外置導(dǎo)體，在翼型壓力面導(dǎo)體下游產(chǎn)生了不同程度的分離旋渦，旋渦尺度大小與導(dǎo)體直徑成正比；在翼型壓力系數(shù)曲線上，導(dǎo)體前由于流體集聚，壓力增加，導(dǎo)體下游形成的渦核為低壓區(qū)。不同導(dǎo)體高度之間的壓差變化也較小。

圖8 不同導(dǎo)體直徑的翼型截面速度云圖

圖9 4°攻角時不同導(dǎo)體直徑翼型表面壓力系數(shù)分布

3 結(jié)束語

針對目前大型風(fēng)電機(jī)組葉片雷擊損傷事故率高，葉片現(xiàn)有雷擊防護(hù)系統(tǒng)失效率高等問題，本文提出了葉片外敷導(dǎo)體防雷方案，研究了外敷導(dǎo)體直徑對風(fēng)力機(jī)專用翼型氣動性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)隨著導(dǎo)體直徑D的增加，翼型升力系數(shù)總體上呈下降趨勢，阻力系數(shù)呈上升趨勢，升阻比下降；翼型升力系數(shù)、升阻比基本與導(dǎo)體直徑呈線性變化趨勢；0°攻角時，升力系數(shù)變化趨勢與其余攻角時相差不大，阻力系數(shù)增加斜率變大，升阻比下降斜率最大。

(2)0°攻角時，帶導(dǎo)體翼型升力系數(shù)下降最多，當(dāng)導(dǎo)體直徑為10 mm時，升力系數(shù)最多下降約10%。4°～16°攻角時升力系數(shù)下降相差不大，升力系數(shù)平均下降約3%。20°攻角時，除了D=10 mm時，其余導(dǎo)體直徑對應(yīng)的升力系數(shù)較潔凈翼型有所增加。對于阻力系數(shù)，當(dāng)翼型攻角為0°時，帶導(dǎo)體翼型的阻力系數(shù)增加最大，增加斜率也最大。除了20°攻角，其余攻角對應(yīng)的阻力系數(shù)變化斜率基本一致，阻力系數(shù)增加的平均值在7%左右。對于升阻比，除了20°攻角，其余攻角對應(yīng)的帶導(dǎo)體翼型的升阻比均有所下降。0°攻角時，升阻比下降斜率最大，最大升阻比在D=10 mm時，下降約56%；4°～16°攻角對應(yīng)的升阻比平均下降約7%。

(3)導(dǎo)體對翼型繞流場的影響主要集中在導(dǎo)體下游速度場。隨著導(dǎo)體直徑的增加，導(dǎo)體下游的低速區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。