尹锐, 王文全, 闫妍
(昆明理工大学工程力学系, 云南 昆明 650500)
摘要：为了研究风力机叶片对风力机运行性能的影响.以家用小型风力发电机风轮为对象,利用UG软件得到叶片的三维模型.通过有限体积数值方法求解流动域不可压缩的Navier-Stokes控制方程和k-ω SST湍流模型方程,其中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,得到流场变量的数值解.通过分析数值结果,研究了风轮的气动性能,即功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况:即随着尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小;随着桨距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,而最大轴向力系数逐渐减小.同时,展示了不同桨距角下叶片尾部的流线图.通过对风力机叶片气动性能的研究,可为小型水平轴风力机叶片的优化设计提供参考.
关键词：水平轴风力机;计算流体动力学;桨距角;气动性能
尹锐, 王文全, 闫妍. 不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(9):790-794.
YIN Rui, WANG Wenquan, YAN Yan. Analysis of aerodynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine at different pitch angles[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(9):790-794.(in Chinese)
pitch angle
目前,应对全球气候变化已成为世界各国共同面临的重大挑战,风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视[1-3].按照风力机风轮转轴与风向位置分为水平轴风力机和垂直轴风力机[4].水平轴风力发电机以其良好的气动性能和便于维护等优点在风能利用领域得到了广泛的应用,目前风力发电设备绝大部分为水平轴风力机[5].
风力机风轮气动性能计算是风力机风轮设计中重要的工作环节,风轮气动性能计算结果的准确度直接影响风力机的输出功率[6].通过吹风试验得到叶片气动性能需要非常复杂的试验装置和大量的时间,且无法进行大型风力机试验,而对于CFD而言,则不存在这样的问题.例如,SEDAGHAT等[7]利用叶素动量理论对300 kW水平轴风力机叶片进行设计优化,CHOI等[8]利用CFD方法研究了2台2 MW水平轴风力机之间的相互影响,ABDELSALAM等[9]利用CFD方法研究了180 kW水平轴风力机叶片的尾流特征,并且对数值计算和试验结果进行了对比分析[10],LEE等[11]对5 kW水平轴风力机叶片上的速度延迟现象作了试验研究,MORTAZAVI等[12]利用遗传算法对10 m长叶片水平轴风力机不同翼型进行对比分析,孔屹刚等[13]对大型水平轴风力机的变桨载荷进行分析和计算.目前大部分研究都针对大型风力机,这类风力机的风轮叶片一般为2～4片,以3片居多,直径可达百米以上,适用于大规模风电场,一般启动力矩较小,风轮直径较大,风轮效率和叶片的结构强度对叶片上气动载荷的分布比较敏感,而且大规模风电场对场地、风力资源等要求较高.最近,具有很好的实用性和经济性的小型风力发电机也引起人们的广泛关注,如家用或用于城市路灯照明等.为此文中以一家用200 W小型水平轴风力发电机为研究对象,比较其在不同桨距角下的气动性能和能量捕获效率,并对不同叶尖速比的流场特性进行分析.
1.1 控制方程
对于水平轴风力机的工作环境,可采用不可压缩黏性流体流动的控制方程：
连续性方程为
(1)
动量方程为
(2)
式中:u代表速度矢量;ρ为流体密度;p为流体压力;Re为流动雷诺数.
结合风力机旋转流场的特点,采用k-ω SST湍流模型[14].采用分离式隐式算法,对流项采用二阶迎风格式离散,扩散项采用中心差分格式,压力-速度耦合使用SIMPLE算法.
1.2 模型建立
文中选取一家用小型水平轴风力发电机,其技术参数: 额定功率为200 W，额定风速为10 m/s,最大功率为220 W,安全风速为60 m/s,额定电压为12/24 V,风轮直径为1.2 m,启动风速为2.0 m/s,叶片数量为3.
利用三坐标扫描仪对叶片实物进行扫描,得到叶片实体模型匀点图,再经过逆向工程软件UG处理,将叶片匀点图实体化并对其边界进行修整,得到单个叶片的三维模型,轮毂直径取为0.1倍叶轮直径,整体风力机叶片的三维模型如图1所示.
图1 风力机叶片的三维模型
Fig.1 Three-dimensional geometrical model of
wind turbine blade
1.3 计算区域与网格划分
计算区域与网格划分如图2所示,风轮直径为D,入口面距风力机的距离为2D,设为速度进口边界,出口面距风力机为5D,设为自由出流边界条件,整体计算域为直径4D的圆柱面,分为静止域和旋转域,静止域与旋转域之间的交界面设为滑移网格界面,滑移界面环向圆柱面的直径为1.10D,环向圆柱面的高度为0.12D.静止域和旋转域都采用四面体非结构网格划分,静止域共计1 300 000个单元,旋转域共计300 000个单元.
图2 计算模型
Fig.2 Computational model
文中对额定风速下风力机的性能进行分析,研究在不同叶尖速比下风力机性能参数的变化规律.在风力机气动性能的研究中,功率系数CP、轴向力系数CF和扭矩系数CM最为重要[15].
功率系数反映风力机效率大小,关系到发电量的多少;轴向力系数影响风力机组的支撑结构和叶片结构的设计,轴向力越大,固定结构越大,生产和制造的成本则越高;扭矩系数对风力机的启动有很大影响,扭矩越大,风力机越容易启动,发电流速也越低,发电量越大;反之,发电量越小.
为了进一步了解风力机在不同桨距角下的运行情况和气动性能,文中首先对风机叶片的桨距角进行了调整,分别为0°,2.5°,5.0°,7.5°,10.0°和15.0°,文中将进口风速固定为10 m/s,分析了不同转速下的气动性能.其次,展示了绕过叶片后的流线在不同桨距角下的变化情况.
2.1 功率系数CP的变化情况
图3为不同桨距角下功率系数随叶尖速比变化的情况.由图可知,当桨距角为5.0°,叶尖速比为6左右时,功率系数可达到最大值0.281.
图3 不同桨距角下功率系数曲线
Fig.3 Power coefficient and its maximum coefficient curves at different pitch angles
从图3中可以看出,在同一个桨距角下,功率系数随着叶尖速比的增大先增大,达到峰值后再减小.当叶尖速比较小时,即风力机转速较低时,组成叶片的每个叶素均处于较大攻角下,由翼型理论可知,此时叶片处于失速状态,升阻比较低,使叶片旋转的推力较小,转矩较小,故功率较低;当风力机转速增大时,叶素逐渐接近最佳攻角,升阻比开始增大,使叶片旋转的推力增大,转矩增大,功率增大,直至最大功率;随着转速继续增大,叶素的攻角反而减小,甚至进入负攻角,功率随之降低.
对于不同的桨距角,当叶尖速比小于3时,即低转速区域,功率系数随着桨距角的增大而增大;当功率系数达到峰值时,大桨距角的功率系数下降更快.其原因是在相同的低转速下,桨距角越大,叶素越接近最佳攻角,产生的推力越大.
2.2 力矩系数CM的变化情况
图4为不同桨距角下力矩系数随叶尖速比变化的情况.由图可知,当桨距角为7.5°,叶尖速比为5左右时,力矩系数可达到最大值0.055.
从图4中可以看出，在同一个桨距角下，力矩系数随着叶尖速比的增大先增大，达到峰值后再减小.对于不同的桨距角，桨距角越大，力矩系数就越早达到峰值，即力矩系数达到峰值所需要的转速越低，因此，增加桨距角有利于风力机实现低转速下启动.对于变桨距叶片，可以在启动阶段调节为大桨距角；启动后，为了提高风能利用效率，可调节为小桨距角；当风速低于或者高于额定风速时，可相应地减小或者增大桨距角，以保证功率的稳定输出.
图4 不同桨距角下力矩系数曲线
Fig.4 Moment coefficient and its maximum coefficient curves at different pitch angles
2.3 轴向力系数CF的变化情况
图5为不同桨距角下轴向力系数随叶尖速比变化的情况.由图可见,当桨距角为0°,叶尖速比为8时,轴向力系数可达到最大值0.846.
图5 不同桨距角下轴向力系数曲线
Fig.5 Axial thrust coefficient and its maximum coefficient curves at different pitch angles
从图5中可以看出,在同一个桨距角下,轴向力系数随着叶尖速比的增大先增大,达到峰值后再减小.对于不同的桨距角,当叶尖速比相同时,桨距角越大,轴向力系数越小.因为桨距角越大,叶片的迎流面积越小,故所受轴向力越小.总之,当桨距角为5.0°,叶尖速比为6时,最大功率系数为0.281,最大轴向力系数为0.588,综合考虑风能效率和轴向力,选择5.0°为最佳桨距角,此时力矩为1.95 N·m,轴向力为40.68 N,输出功率为194.67 W,与设计功率200 W相比,误差仅为2.67%.
2.4 不同桨距角对流场流线图的影响
图6为叶尖速比为5时,不同桨距角下叶后流线尾迹图.由图可知,紧靠叶片的后方,都存在明显的强旋转尾流,在距离叶片后方2D位置附近出现较大的扩散旋涡,随即又收缩,然后流线逐渐平行于来流方向.随着桨距角的增大,扩散旋涡有增大的趋势.当桨距角较小时,叶尖部位的流线旋转程度较明显;当桨距角较大时,叶尖部位的流线旋转程度相对较弱,基本平行于来流方向.
图6 不同桨距角下叶后流线图
Fig.6 Streamlines at different pitch angles
1) 文中对一家用小型风力机进行数值计算,得到风力机的气动性能参数.随着尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小.因为风力机转速较小时,此时叶片处于失速状态,升阻比较低,叶片旋转的推力较小,转矩较小,故功率较低;当风力机转速增大时,叶素逐渐接近最佳攻角,升阻比开始增大,使叶片旋转的推力增大,转矩增大,功率增大,直至最大功率;随着转速继续增大,叶素的攻角反而减小,甚至进入负攻角,功率随之降低.随着桨距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,为了提高风能利用效率,可以采用变桨距叶片.随着桨距角的增大最大轴向力系数逐渐减小,当桨距角越大时,叶片的迎流面积越小,故所受轴向力越小.
2) 通过对比还发现,当桨距角为5.0°时,叶片的性能最佳,此时风机的输出功率为194.67 W,风能利用率达到最大值0.281,与设计功率200 W相比,误差小于3%.另外,在叶尖速比为5时,观察了不同桨距角下叶片流线的变化情况.研究成果可为风力机气动性能预测和优化设计提供参考.
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(责任编辑 谈国鹏)
YIN Rui, WANG Wenquan, YAN Yan
(Department of Engineering Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunan 650500, China)
Abstract：The blade is a key component of wind turbines for capturing wind energy, and it also affects the overall operating performance directly. The aerodynamic characteristics of a small household horizontal axis wind turbine are studied. Firstly, a three-dimensional geometrical model of the turbine is constructed with UG software. Then, the finite volume method is used to discretize the Navier-Stokes equation and thek-ω SST turbulence model equations, and the second-order upwind scheme and the second-order central difference scheme are applied to the convection and diffusion terms, respectively, SIMPLE is used for the coupling between velocity and pressure. Finally, the aerodynamic cha-racteristics such as power efficiency, moment and axial thrust are discussed at different pitch angles. The power and torque coefficients increase firstly and then decrease with increasing tip speed ratio. The maximum power and moment coefficients increase firstly and then decrease with increasing pitch angle, but the maximum axial thrust coefficient gradually decreases with increasing pitch angle. At the same time, the streamlines at different pitch angles are shown and analyzed. Hopefully, the results can provide a reference and guidance for optimization design of horizontal axis wind turbine.
Key words：horizontal axis wind turbines;computational fluid dynamics;aerodynamic characteristics;
doi：10.3969/j.issn.1674-8530.15.0234
尹锐
收稿日期：2015-10-29; 网络出版时间： 2016-09-14
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51479085,11262008); 霍英东青年基金资助项目(141120)
作者简介：尹锐(1991—),男,安徽六安人,硕士研究生(fanyi-pink@qq.com),主要从事流体机械研究.
中图分类号：S277.9
文献标志码：A
文章编号：1674-8530(2016)09-0790-05
网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160914.1330.010.html
王文全 (1977—),男,四川南充人,教授,博士生导师(wwqquan@126.com),主要从事流体机械研究.
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