直驱风力发电机翼型特性数值仿真

黄 娜，关正伟，党晓圆，李 洁

(重庆邮电大学移通学院，重庆 401520)

1 引言

在风力发电机的设计中，首先需要考虑到风翼的设计是否满足应用地区的条件和发电机的功率需求。这就需要在设计时拟定风翼的形状，叶数等因素，其中风翼的翼型直接影响风力发电机的风力特性参数[1]。

在设计中需要对发电机翼型进行模拟以保证风翼可以满足设计需求。而对翼型特性的分析中，早期人们采用模拟的方法，文献[2]提出Gurney襟翼对风力机翼型气动噪声影响的数值模拟，当迎角为4°～20°时，原始翼型及带不同高度襟翼的翼型气动特性和流场分布通过Fluent软件LES模型进行计算，然后根据FW-H声学模拟法，用Acoustics模块精确求解远场气动噪声。文献[3]提出风力机翼型定常粘性分离流动分析与数值模拟，针对风力机翼型表面流体分离的实际情况，利用普朗特分离准则，给出了风力机翼型表面流体分离的充要条件。针对N-S方程所描述的实际粘性流，对其分离点附近的实际粘性流的特性进行了分析，得到了分离流线、零u线和零涡线的相对位置，并利用 Fluent流体分析软件进行了数值计算，得到了S809翼型的气动特性及其周围流场分布。文献[4]提出小攻角时风力机翼型边界层特性的数值模拟，发现沿翼型弦方向，从前缘到后缘，边界层名义厚度、位移厚度、动量损失和能量损失厚度都有增加的趋势，沿翼型吸力平面外法线方向，四种厚度的最大值分别为翼型弦长的1.25%、0.36%、0.17%和0.29%；在边界层内，边界层内流体的黏度影响显著，沿翼型吸力平面外法线方向，流体切向速度的最大值随边界层的名义厚度增加而逐渐减少，当法向高度大于边界层的名义厚度时，边界层速度剪切特性基本保持不变。

虽然上述方法取得一定进展，但反映的特性有限。后续计算机的应用，人们开始利用算式进行数值仿真，为了进一步提高仿真结果的准确性，研究者利用有限元分析软件对模拟风翼的运动过程和风阻状况来进行数值仿真。但在实际研究中发现，由于有限元分析软件无法计算因特定情况下产生的翼身抖振现象，导致数值模拟分析结果准确性不足，难以满足实际需求。因此对于风力发电机的翼型特性数值仿真仍需要进一步的改善和研究。

2 直驱风力发电机翼型特性数值仿真方法设计

2.1 直驱风力发电机组整机结构

直驱风力发电机由传动器、风轮、制动器、液压机、塔架以及发电机等基本设备组成，其中，传动器主要由主轴、齿轮箱和联轴节组成；风轮主要由叶片和轮毂组成；制动器主要由气动制动和机械制动组成；液压器主要由电机、油箱、液压阀等组成；塔架采用筒形结构，底座采用钢筋混凝土结构；发电机主要由异步发电机和低速永磁发电机组成[5-6]。直驱风力发电机组整机结构如图1所示。

图1 直驱风力发电机整机结构图

风力机负荷的种类有：静态负荷、稳态负荷、周期负荷、极限负荷和疲劳负荷。这些负荷中，静态负荷为风电机组不转动时所产生的负荷，稳态负荷为风电机组转动时所产生的负荷，周期负荷为机组运行时所产生的负荷，周期负荷为机组结构在某一周期变化期间所产生的负荷，负荷变化周期与风轮转速成正比[7]；极限负荷需要综合考虑实际情况，区分机组正常状态和故障状态；兆瓦级风电机组整机每转一周，产生低速轴和叶片重力完全相反的力，从而产生疲劳负荷。

2.2 风力空气动力模型

在进行风力发电机翼型特性的数值仿真中，首先要确定风力空气动力模型，并作为数值仿真的运算基础[8]。在本文研究中，根据动力理论的理想翼型的气流模型，如图2所示。

图2 气流管桩模型图

在动力理论中的翼型理想气流模型中，空气被设置为不可压缩的状态，同时在气流流经风翼时，气流质量相等，并在单位时间内通过截面，而此时的气流质量为ρAU，而气流通过风轮时则应满足

ρA∞U∞=ρAdUd=ρAwUw

(1)

在式(1)中，ρ代表当前气流中的空气密度，A代表气流的截面面积，U代表当前流经风翼的气流流速，∞代表风翼的无穷远处，d代表风力翼型的风轮圆盘处，w代表风翼的下游尾端。由于风翼的阻挡，导致气流在经过风翼时，气流的流速出现变化，从而在运算中导入轴向诱导因子a，以及风翼对气流的轴线速度诱变aU∞，而气流流经风翼的速度则为

Ud=(1-a)U∞

(2)

而根据气体动量理论，气流经过风翼后的动力改变则为

ΔP=ρAdUd(U∞-Uw)

(3)

根据空气动量改变公式，可以推出风翼经过的压力差值，如下所示

(p+-p-)Ad=ρAdUd(1-a)(U∞-Uw)

(4)

而式(4)的压力差，也可以反映出当前压力和风能之间的关系，从而确定当前风翼翼型的利用系数Cp定义为

(5)

而风翼利用系数的最大值，则代表风翼翼型的理想状态。

2.3 数值仿真翼型参数确定

风翼的叶片从转动中心到叶尖半径中的剖面翼型弦长为Li，通常条件下风翼叶片可以将空气动力的平均分配至整个叶片中，这往往是受到叶片的扭曲形态以及翼片的翼型弦长等因素的影响[9]。因此需要将风翼叶片中参数更全面的输入。而叶片在转动状态下，叶尖在不同半径下的叶片弦长Li的计算为

(6)

在式(6)中，r代表风翼叶片的转动圆心和该叶片叶尖之间的距离，单位为m。Ce代表风翼叶片的形状参数，该数值可经由风叶叶片的尖速值来获得。CL代表风翼叶片的升力系数，该数值可由翼型的升阻比曲线，并在其中选取最佳比值来获得[10]。进而根据叶片的实际安装效果，给出叶片安装时的安装角度，即：θi=φi-αm，其中θi代表风翼转动中心在叶尖的不同位置中，半径ri对应的安装角度，φi代表在风翼的ri处对应的叶片迎风角，αm代表风翼叶片的平均迎角。其中αm值需要进行另外的计算，计算方法为

(7)

2.4 翼身抖振非定常数计算

由于预设了风力空气动力模型，因此可以根据该模型来结合当前翼身特定状态下的气动特性，来计算风翼的翼身抖振非定常数，首先确定风翼翼身的边界时间步条件，如下所示

△t=(0.03×c)/Um

(8)

在(8)中，c代表风翼翼身的最大弦长，Um代表翼身来流速度。同时采用UDF方法来改变风翼自由流角方向，并定义其中流迎角α随时间t的规律产生的变化。根据K-ε湍流能方程，得出

(9)

在式(9)中，k代表其中的湍流动能，ε代表风翼的湍流消耗率，Gk代表在不同的风速影响下湍流的生成状态，Gb代表受到浮力的影响导致的湍流动能生成状态，YM代表湍流在空气气流出现脉动现象时导致的膨胀的产生率，σk代表普朗特常数，μt代表湍流状态下的粘性因素。在进行数值仿真时，需要将相应的计算区域划分为旋转域以及静止域，在计算中，控制体内发电风翼的外部区域，而旋转域则是考虑风翼在旋转坐标系内的求解计算，并在静止域中，经过非旋转坐标系对控制进行求解计算，并在不同区域中对风翼的抖振非定常数进行求解[12]。求解完成后，再进行数据过交界面进行传递，而在静止域中，风力发电机的空气流畅计算控制方程则需要采用翼身抖振非定常数进行计算，如下所示

(10)

式中，φ代表气流输送变量，pa代表风翼空气密度，ua则在静止域内的空气流场速度，Γφ代表空气流场内的扩散系数，qφ代表静止域流场内的源项。而在旋转域中则可以写为

qφr=qφ-ρ[2ω×uar+ω×(ω×r)]

(11)

式中，uar代表空气流场内旋转坐标系的速度，qφr带旋转坐标中源项，而当式(9)中的φ=1、qφr=0时，风翼则处于连续状态，则流向则作为源项动量来计算。

2.5 数值仿真机翼生成

在数值仿真中，往往风翼叶片的生成过程通过点线面的生成过程，而在使用该方法进行数值仿真过程中，由于需要逐点进行生成，因此往往工作量较大，且费时费力[7]。本文中选择采用Pre/E方法，来提供数据文件生成曲线的造型方式，并将对应的翼型数据根据相应的格式编写为IBL格式，并导入对应的Pro/E的翼型边界曲线，由于在Fluent的分析过程中，使用的单位为m，因此在Pro/E中进行二次导入的数据也应为m为单位，同时在单一组别中的发电机翼型需要选择相同的旋转坐标系，并生成对应的叶片截面边界，如图3所示。

图3 叶片截面边界载入方式

叶片外表面，则可以运用相同的载入方式来实现，并对边界进行混合，依次选取各个截面上存在的边界曲线，并生成在叶片的下表面上，仅叶片上下表面分别进行生成，由于存在翼型尾侧尖角，叶片容易出现局部扭曲，在生成时可以将两个端部进行填充，并获取端部截面。经过该方法获得的翼型，无法进行布尔运算，因此后续需要在数值仿真中将叶片实现实体化，并生成对应的风翼细节。同时采用Gambit软件来输入相关参数，并定义翼型中存在的复杂扭曲面，将保存的STP文件导入Gambit中，并利用其中几何修正方法，连接其中的点、线、面，并保证原始的集合精度，通过软件功能将其中的小缝隙进行缝合，实现对风力发电机翼型的仿真生成，并导入至上述模型中，实现数值仿真。

3 仿真分析

为了验证设计的数值仿真方法的可行性，本文以某地区的直驱风力发电机作为实验对象，并使用文献[2]、文献[3]、文献[4]中的数值仿真方法以及本文设计的数值仿真方法对该发电机的翼型特性进行数值仿真。

3.1 仿真数值来源

仿真中的数值由该直驱风力发电机中的技术参数以及该风力发电机运行时接收到的数据作为数值仿真的技术来源。

3.2 风力发电机技术参数

该风力发电机的额定功率为400kW，风力发电机所在环境风速在3～15m/s左右，且发电机的风能利用系数为0.41Cp。风能转换效率为0.76。地区空气密度为1.316kg/m3。本文实验中的风力发电机，叶片数为3片，叶片之间夹角为120o，叶片质量为均匀对称分布。风轮实度为12%。该发电机的翼型为NACA63-2XX系列，雷诺数为106。

3.3 发电机翼型特性仿真

本文实验就当地常见的三种不同的风场环境时，发电机翼型的特性进行数值仿真。第一种风场环境为北-西风向，风速在11～12m/s之间，数值仿真结果如表1所示。

表1 第一种风场环境数值仿真结果

第二种风场环境中，风向为南-西风向，风速为6～7m/s左右，数值仿真结果如表2所示。

表2 第二种风场环境数值仿真结果

第三种风场环境中，风向为北-东风向，风速为12～13m/s左右，数值仿真结果如表3所示：

表3 第三种风场环境数值仿真结果

在上述实验结果中数值仿真方法1代表本文设计的数值仿真方法，数值仿真方法2代表文献[2]中的数值仿真方法，数值仿真方法3代表文献[3]中的数值仿真方法，数值仿真方法4代表文献[4]中的数值仿真方法。在上述实验结果中可以发现，本文设计的数值仿真方法获得的翼型特性数值更接近实际的特性系数，证明本文设计的数值仿真方法具有较高的准确性。

4 结束语

利用通过改善对发电机翼的抖振非常数值计算，提出了数值仿真方法，同时实验证明该方法提高了数值仿真方法的准确性。但本文研究中，由于采用了风力空气动力模型作为仿真的基础模型，因此设计的数值仿真方法，无法对机翼自身磨损以及轴承老化等因素进行模拟，仍需要进一步的改进。