基于三维翼型数据的风力机气动性能分析.pdf

第 6期 总第 1 9 3期 2 0 1 5年 1 2月 机 械工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG 8 L AUT0M AT1 0N N o ．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 6 0 0 4 1 0 2 基于三维翼型数据的风力机气动性能分析米 周文平 ，唐 学鑫 ，张安 民 ，陈小怡 泸州职业技术学 院，四川 泸州 6 4 6 0 0 5 摘 要 将风力机 转子 时间步进 自由尾迹分析模 型用 于风 力机 空气动力学分析 ，得到每个桨 叶微段上 的三维翼 型升 阻力数据 ；然后将 所得的三维升 阻系数 与 B E M 理论结合 起来 ，计 算风力机 转子 的气动性能 ，以计入三 维旋转效应 的影响。将计算结果 与实验数据 进行 比较 ，验证 了该 方法 的有效 性，为后 续进 一步研 究失速 延 迟 、提高风 力机 转子气动性能预测 的准确 性提供 理论支撑。 关键词 水平 轴风力机 ；气动性 能； 自由尾迹模 型；三维翼型数据 ；B E M 理 论 中 国 分 类 号 TP 3 9 1 ． 7TK8 3 文 献 标 识 码 A 0 引言 在 风力 机 的设 计 和 校 核 过 程 中 ， 气 动性 能 预测 是 非 常重 要 的环节 l_ 1 ] 。 目前 广 泛应 用于 风力 机性 能 预测 的 B E M 理论是基于二维翼型风洞 实验或计算数据 ， 通常会低估风轮的载荷 。因为实际的风轮叶片是三维 及 旋转 的 ， 这种 风 轮性 能 的理 论 与 实 践 的差 别 被 称 之 为失速延迟现象 ] ， 即用二维理论计算 的失速工况在 三维条件下并没有 出现 ， 叶片表 面的气流分离失速点 后移 ， 在部分区域甚至不出现分离 ， 使得风轮叶片的升 力 增 大及 阻力 减小 。因此 在设 计 和计算 风 轮性 能时 必 须 考 虑失 速延 迟 的影 响 。 虽然 失速 延迟 现 象早 在 1 9 4 5年就 已经 被发 现 ， 但 是 目前对失速延迟 的研究 尚处于探索阶段 。在对风力 机的初步设计和性 能预测时 ， 找 到一种快速且准确的 计人失速延迟现象 的预测方法非常必要。 数值模拟和实验研究 表明[ 3 - 4 3 ， 沿桨 叶展向的流 动和 压力 梯 度是 失速 延迟 产 生 的主要 原 因 。本 文将 作 者前 期建 立 的风 力机 转子 时 间步进 自由尾 迹分 析模 型 用 于风力 机 空气 动力 学 分 析 ， 得 到 每个 桨 叶微 段 上 的 三维 翼 型升 阻力 数 据 ； 然 后将 所 得 的三 维 升 阻 系 数 应 用到 B E M 理论中， 计算风力机转子的气动性能 ， 并与 实验数据进行比较， 以验证该方法的有效性 。 1计算 模 型 1 ．1 BEM 理 论 1 ． 1 ． 1 基本 关 系式 B E M 理论 将 风力 机 桨 叶 简 化 为 由有 限 个 叶 素 沿 径向叠加而成， 因而风轮的三维气 动性能可 以由叶素 的气 动性 能 沿径 向积 分得 到 。 风力 机 翼型 风速 及受 力 如 图 1 所 示 。 图 1中， 。 。 为风 速 ， a为 攻 角 ， p为 翼 型 桨 距 角 ， 为 人 流 角 ， n 为 转速 ， r为 翼 型 半 径 ，C 及 C 分 别 为 翼 型 的 升 、 阻 力 系数 ， C m 。 为 推 力 系 数 ， a 、 a 分 别 为 平 均 轴 向 诱 导 速 度因子和平均切向诱导速度因子。 平面 图 1 风 力机 翼型 受力示意图 在每个叶素上分别运用动量理论 和叶素理论 ， 即 可得到平均轴向诱导速度因子 a及平均切向诱导速度 因子 n 的迭代求解公式 旦 一一 翌 翌 1 -- a 8 nr s i n ’ a 一 N C￡ s i n 一 C d c o s e 一 一 ‘ 其 中 N 为 叶片数 ； c 为翼 型 弦长 。 1 ． 1 ． 2 升 阻力 系数 2 由于 风力 涡轮 的旋转 作 用 ， 二 维风 洞翼 型实 验 或 计 算 数 据 与实 际旋 转 时 叶 片 上 的翼 型 气 动 数 据 之 间 有一定的差别。传统 B E M 理论假设每个 叶素上的升 阻力等 同于二维 叶素 。实 际运转 的风轮， 在翼型处 于 失 速攻 角前 ， 旋 转对 升 阻系数 的影 响可 以忽 略不 计 ； 但 当攻角 a大 于失 速 攻 角后 ， 旋 转 的翼 型 非 但 没 有 出现 失速后升力 的下降 ， 反而出现 了一定程度的上升 ， 这就 是失速延迟现象 。失速延迟使得旋转叶片承受的载荷 较 静止 时增 加 ， 尤其 在 叶根 附近 ， 法 向力 可达 静态 法 向 力 的 2 ． 5 倍 。 要 获 得可靠 的失速延 迟 对风 轮 的影响特 性 是 比较 困难的工作 。因此 ， 本文提 出通过在 B E M 理论 中采 用三 维翼 型升 阻力 系 数 替代 二 维 静 态 翼 型 系数 ， 以准 确地计 算诱 导 速度 及 叶素载 荷 。在计 算 时将 由 自由尾 四川 I 省泸 州市科技 计划 2 0 1 4 - S - 5 0 7 ／ 7 收稿 日期 2 O l 5 0 2 2 7 ；修订 日期 2 0 1 5 0 8 2 7 作者 简介 周文平 1 9 8 2 一 ，男 ，重庆江津人 ，讲师 ，博士 ，主要研 究方向 流体 动力机 械、计算 流体力学等 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年 第 6期 迹模型计算得到的三维翼型数据与传统 B E M 理论结 合 起来 ， 计算 风力机 的气 动性 能 。 1 ． 2 自由尾 迹模 型 自由尾迹方法基于不可压无粘无旋势流假设 ， 将 桨叶和转子后拖出的尾迹用离散涡元表示 。自由尾迹 方 法主要 包 括两个 问题 建立 桨 叶模 型对 转 子 桨 叶 涡 系 的分析 和建 立尾 迹模 型对转 子尾迹 的分 析 。详 细 的 自由尾迹模型介绍见参考文献E 5 - 1 。 2 算例 2 ． 1 自由尾 迹模 型计 算结果 首先采用 自由尾迹模型对 NR E L P h a s e VI 风力 机 在来 流风 速从 5 m／ s 2 0 m／ s的范 围内的气 动性能 进行计算 。图 2 为桨叶沿展向位置的升力系数与二维 风 洞静态 实验 值 的 比较 ， 其 中攻 角 值 的变 化 是 由不 同 的来流 风速 引起 的 。 从 图 2中可 以看 出 在 3 0 R R 为 风 轮 半 径 展 向位置 ， 计算的翼型升力系数 L k -_维静态值大， 当攻角 达 到翼 型静 态 失速 攻 角 约 1 O ． 1 。 后 ， 升 力 系数 出现 一 定程度的上升， 直到达到 3 0 。 攻角后才开始下 降， 这 与 二 维 风 洞 实 验 所 得 的 翼 型 特 性 有 较 大 的差 异 ； 在 4 7 9 ／ 6 R展向位置 ， 失速攻角推迟到 1 3 ． 7 。 ， 且计算的升 力系数大于二维静态值 ； 在 6 3 R展 向位置 ， 失速攻 角推迟到 l 1 ． 5 7 。 ， 升力系数的增加程度也 明显减轻 ； 在 9 5 R 展 向位 置 处 ， 整 个 攻 角 范 围 内 ， 升 力 系数 与 二 维静态 升力 系数基 本一 致 。 由此说 明失 速延迟 现象 的存在 ， 且该现象主要发生在风轮转子的内侧， 而外侧 的影 响较 小 。 2 ． 2 三维 翼型数据 对 B EM 理 论 的修 正 用 2 ． 1节得到的三维翼 型气动数据 除 图 2所示 展 向位置外 ， 其余位置的升阻特性数据由三次样条插 3 ． 2 ． -R 1 _ 1 ． 0 ． 0 {2 。 ． ． 蓑 o ． 薹 值得 到 代 替二 维静态 风 洞数 据 耦 合 到 B E M 模 型 中 ， 对转 子气 动性 能进行计 算 。 攻 角／ 。 图 2展向位置升力系数与二维静态值比较 图 3为 5 m／ s ～2 O m／ s 来 流 风速 时不 同展 向位置 的翼 型推力 系数 C t 变 化 图 。图 3中 B E M 2 D 表示 采用 二维翼 型 数 据 耦 合 B E M 理 论 计 算 得 到 的 数 值 ， B E M 3 D则表示采用三维翼型数据的计算值。 从 图 3中可 以看 出 在 叶根 附近 ， B E M 2 D计 算 的 推力系数小于 B E M 3 D方法的计算值 ； 越靠近桨 叶根 部 ， 两者的计算值差异越大 ， 在叶中和叶尖附近的计算 值差异减小。这表明失速延迟现象会使得桨叶载荷加 重 ， 且 越靠 近桨 叶根部 ， 失速 延迟 现象越 严重 。 不管是采用二维静态翼型数据还是三维旋转翼型 数据 ， 在来流风速小于 1 0 m／ s 时 ， 都能够较准确地预 测 推力 系数 。这是 因为 风速 较 小 时 ， 翼 型周 围大 部 分 处 于 附着流状 态 ， 沿 叶 片展 向 的流 动较 小 。当风 速 增 大后 ， 流动分 离和 沿桨 叶展 向的流 动产生 ， 采用 二 维翼 型数据计算的推力系数 与实验值差异较大 ， 而三维翼 型数据在没有添加三维失速延迟模型的情况下得到的 推力系数与实验值 比较吻合 。这也从另一方面论证了 沿桨 叶展 向的流 动是失 速延迟 产 生 的主要原 因 。 { -R 萎。 誊 a 风速／ m - 1 风速／ mS 一 a 3 0 ％ R 处推力系数 b 6 3 ％ R h 推力系数 图 3 二维和三维翼型数据计算 的推 力系数 比较 风速／ m s 一 c 9 5 ％ R 推力系数 参 考文献 s t a l l d e l a y o n t h e b l a d e o f a h o r i z o n t a l a x i s wi n d t u r b i n e [ 1 ] 刘雄 ， 陈严 ， 叶枝 全． 水 平 轴 风力 机 气 动性 能 计算 模 型 u s i n g t o mo g r a p h i c p a r t i c l e i ma g e v e l o c i me t r y [ J ] ． J o u r n a l [ J ] ． 太阳能学 报， 2 0 0 5 ， 2 6 6 7 9 2 8 0 0 ． o f Wi n d E n g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i a l A e r o d y n a mi c s ， 2 0 1 3 ， [ 2 ] 沈听 ， 竺晓程 ， 杜朝 辉． 失 速延迟 模型在 风力机 预测 中的 1 2 3 A 5 6 6 8 ． 应用E J ] ． 能源技术 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 2 8 3 1 ． [ 5 ] 周文平 ， 唐胜 利 ， 吕红． 基于 时间步 进 自由尾迹法 的水 平 [ 3 ] 戴韧 ， 王海刚． 水平轴风力机失速延 迟特性及其力 学机理 轴风力机气动特性分析[ J ] ． 中 国电机 工程学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 1 研究 [ J ] ． 太阳能学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 3 3 7 3 4 2 ． 2 9 1 2 4 1 3 0 ． 『 4 I Hs i a l Mk i n L e e ， Ya n h u a W u ．An e x p e r i me n t a l s t u d y o f W i nd Tu r b i n e Pe r f o r ma n c e Pr e d i c t i o n Ba s e d 0 n 3 D Ai r f o i l Da t a Ex t r a c t e d f r o m FF e e Vo r t e x M o d e l ZHOU W e n - p i n g，TANG Xu e - x i n，ZHANG An - mi n，CHEN Xi a o - y i L u z h o u Vo c a t i o n a l＆ Te c h n i c a l C o l l e g e ，L u z h o u 6 4 6 0 0 5 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e 。we c o n s i d e r t h e NREL P h a s e VI r o t o r wh e r e a i r f o i l d a t a a r e e x t r a c t e d f r o m Fr e e Vo r t e x W a k e FVW r e s ui t s ．The a z i mut ha l l y a v er a g e d v e l oc i t y i s us e d a s t he s e c t i on a l v e l oc i t y t O d e f i ne t he a ng l e of a t t a c k a nd t he c o e f f i c i e nt s o f l i f t a n d dr a g a r e de t e r mi ne d b y t he f or c e s o n t h e b l a d e s ．The e xt r a c t e d a i r f o i l da t a a r e put i nt o a Bl a de El e me nt Mome n t u m BEM c od e wi t h o ut f ur t he r c o r r e c t i o ns，a nd t he c a l c u l at e d d a t a a r e c o mpa r e d t O b ot h c o mput a t i o ns u s i ng BEM wi t h She n’ S t i p l os s c o r r e c t i o n mo de l a n d e x pe r i me n t a l da t a ．The c o mpa r i s ons s h ow t ha t t he r e c a l c ul a t e d f or c e s by u s i ng a i r f o i l d a t a e x t r a c t e d f r om FVM ha v e go od a g r e e me n t s wi t h t he ex pe r i me nt ． Ke y wo r ds ho r i z o nt a l a xi s wi n d t ur bi ne；a e r o dyn a mi c pe r f or ma n c e；f r e e v or t e x wa ke mo d e l ；3D a i r f o i l d a t a；BEM 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m