不同風速下葉片氣動性能及葉片壓力分布研究

0氣動載荷特性仿真分析風力機在自然環(huán)境中運行。風速和風速的頻繁變化導致氣壓在風輪平面上的不均勻旋轉(zhuǎn)，這導致風機輸出的很大變化。在極端運行條件下，風力機的可靠性、破裂和坍塌變得困難。由于流場高速監(jiān)測設備發(fā)展的滯后,對風速動態(tài)變化下的葉片氣動載荷以及尾跡流場特征的實驗研究很難進行。為減小氣動載荷波動對風電機使用壽命的影響,解決風力機葉片不穩(wěn)定運行出現(xiàn)的振動、疲勞、動態(tài)失速等安全性問題,采用數(shù)值模擬方法獲得不同風速變化階段葉片氣動性能和氣動載荷分布隨風速動態(tài)變化的響應特征已被高度重視,科研人員對此進行了深入研究。國內(nèi)一些學者針對風輪空氣動力學特性、風力發(fā)電機組協(xié)同控制、風力機尾跡流場特征等開展了研究。但是,在風力機的數(shù)值模擬方面,往往局限于風力機穩(wěn)定入流條件,不能真實地反映自然環(huán)境下的風速快速變化的特點。國外學者對于動態(tài)入流的研究起步較早,針對風速動態(tài)變化的特點,通過建立動態(tài)入流模型來估計葉片氣動載荷本文以動態(tài)入流的方式,通過入口處速度函數(shù)的編輯,建立了漸變風、陣風入流等不同變風階段的氣動載荷非穩(wěn)態(tài)計算模型;研究了不同風速變化率對葉片氣動性能和表面壓力分布的變化特征;通過翼型截面的上下表面壓差,分析不同入流方式對于葉片展向不同位置出力效果的影響;找尋葉片所受風壓載荷敏感區(qū)域,以揭示不同變風工況下風輪轉(zhuǎn)矩輸出特性變化的原因。1計算值的值1.1翼型截面的同步擬合和放樣本文以某S翼型三葉片小型水平軸風力機為研究對象,利用SolidWorks樣條曲線功能進行翼型截面的同步擬合和逐次放樣;通過與其他零部件的組合,完成了葉片直徑為1.4m的風力機整機模型的裝配(圖1)。1.2風輪保護域風輪的確定利用ANSYS中Geometry模塊對風力機進行流場計算域的建模(圖2)。為了不影響風輪后方尾跡流場的自由發(fā)展,計算域風輪前后距離比采用為1∶3,風輪前方計算域長度為1.5m,風輪后方為4.5m。為了準確計算葉片的氣動載荷,網(wǎng)格采用分區(qū)域加密的劃分方法,尤其是對葉片表面進行了局部細化。1.3極端運行陣風模型確定和風速模型設定計算域入口采用風速動態(tài)函數(shù)作為速度入口邊界條件,湍流強度默認為5%。出口邊界條件設置為靜壓出口,相對壓力為零。風力機和計算域的壁面以及地面設置為無滑移壁面。如圖3所示,利用測風儀在測風塔不同高度處采集風速。以中午時段夏季盛行的西南風為主要分析依據(jù),進行數(shù)據(jù)的分段提取和函數(shù)擬合,得出了多段風速隨時間變化曲線(圖4)。結合風力發(fā)電規(guī)范中規(guī)定的風速模型,確定陣風與漸變風兩種典型的風工況函數(shù)模型依據(jù)風力發(fā)電機組(WTGS)最低的安全要求,極端運行陣風分為4個階段:風速緩慢下降、風速快速上升、風速快速下降和風速緩慢上升。陣風函數(shù)由陣風加速幅值V根據(jù)風力機的外形尺寸和實驗基地實際風速變化特點設置如下:Λ本文設定風速漸變時間為4s,漸變風函數(shù)切出風速為12m/s,切入風速為8m/s,額定風速為10m/s,風輪轉(zhuǎn)速保持不變。動態(tài)入流函數(shù)曲線如圖5所示。2結論分析2.1陣風加減速時風輪的輸出扭矩隨時間變化特征為比較風力機在不同變風階段功率輸出特性的變化,須得到不同風速變化率對風輪氣動特性的影響,在相同變風周期內(nèi),提取不同時刻風輪轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù),得到了不同變風階段風輪轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線(圖6)。圖6(a)為漸變風與穩(wěn)定入流輸出轉(zhuǎn)矩對比曲線。選取工況中第2s時刻相同風速時的轉(zhuǎn)矩進行對比分析,此時風速V=10m/s?？梢悦黠@看到,漸變風風輪輸出轉(zhuǎn)矩小于穩(wěn)定入流風輪轉(zhuǎn)矩。這說明風速相同時,不同風速變化率會對風輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。圖6(b)為陣風下風輪轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。可以明顯看到,轉(zhuǎn)矩隨時間變化的4個階段,這與陣風入流中風速變化特征基本一致。為比較相同風速下風加速和風減速效應對風輪轉(zhuǎn)矩的影響,提取陣風入流中風速緩慢變化階段減速時刻0.5s和陣風加速時刻3.5s的風輪轉(zhuǎn)矩,此時風速相同,V=9.84m/s。由于風速變化率方向相反,陣風加速時風輪輸出轉(zhuǎn)矩大于陣風減速時風輪轉(zhuǎn)矩。對比風速快速變化階段1.5s(陣風加速時刻)與2.5s(減速時刻),可知陣風加速時的風輪轉(zhuǎn)矩要大于陣風減速時的風輪轉(zhuǎn)矩,且兩時刻轉(zhuǎn)矩差相對于風速緩慢變化階段明顯增大。這說明在快速變風階段,風加速度因子較大,使陣風加速時刻的風力機輸出轉(zhuǎn)矩明顯提高。通過理論分析可知,在動態(tài)入流中,由于來流風速一直處于動態(tài)變化,空氣中有額外的風加速度因子存在2.2漸變風入流對葉根生長和壓力分布的影響為研究相同風速時不同風速變化速率對葉片表面壓力分布的影響,在緊鄰風輪前方設置監(jiān)測面,以監(jiān)測面風速作為風輪的實際來流風速,提取漸變風入流與穩(wěn)定入流在達到相同風速(10m/s)時的壓力分布云圖(圖7)。如圖7所示,在風速(10m/s)相同時,漸變風壓力面所受壓力明顯小于穩(wěn)定入流,且壓力面最大正壓區(qū)沿徑向變小,最小壓力區(qū)沿展向和徑向變大;吸力面壓力分布變化相對較小,葉根處后緣位置漸變風最大負壓值微弱增大。壓力云圖分布只能定性分析入流方式對于葉面壓力的影響,為進一步定量研究漸變風入流對葉片壓力分布的影響規(guī)律,沿葉片展向方向截取0.3,0.5,0.7,0.9R位置處的4個截面,作出葉片各截面壓力沿徑向變化曲線(圖8)。由圖8可知,漸變風在不同截面處的壓力曲線變化趨勢與穩(wěn)定入流基本一致,正、負最大壓力值仍然出現(xiàn)在葉片前緣的壓力面和吸力面位置處;在壓力面上可以明顯看到兩種入流方式存在較大的壓力差,且壓力差沿葉片展向逐漸增大,分別為36,39,45,50Pa。這說明漸變風入流階段,與流體自身壓力方向相反地附加質(zhì)量力,不僅會使葉片壓力面所受壓力減小,而且還會改變?nèi)~片不同位置處的受力效果,使葉尖位置壓力相對于穩(wěn)定入流減小得更多。吸力面上漸變風與穩(wěn)定入流壓力曲線十分接近,但變化梯度卻有不同,漸變風負壓力從葉片前緣位置到后緣位置增加明顯較慢。在兩種入流方式的壓力曲線的交匯點前,漸變風壓力大于穩(wěn)定入流;在交匯點后,漸變風壓力小于穩(wěn)定入流;交匯點的位置沿葉片展向位置逐漸向后緣移動。這說明漸變風入流會改變吸力面壓力變化梯度,且壓力增加梯度沿葉片展向位置逐漸增大。2.3動態(tài)入流方式切向力的變化特征為了進一步分析風速變化率對葉片壓力分布的影響,選取陣風工況中1.5s和2.5s兩個風速快速變化時刻的葉面壓力數(shù)據(jù),V=11.73m/s,此時風速變化率的大小相同、方向相反。分析比較漸變風與穩(wěn)定入流工況下風輪壓力分布差異發(fā)現(xiàn),在壓力面上,吸力面陣風加速時的壓力值明顯大于陣風減速時刻的壓力值。為了定量分析陣風入流下風速變化率對葉片分布特征的影響,沿葉片展向方向截取0.3,0.5,0.7,0.9R共4個位置截面,提取截面上壓力沿徑向變化的數(shù)據(jù)繪制壓力曲線圖(圖9)。相對于漸變風與穩(wěn)定入流壓力差,陣風加速和陣風減速的壓力差明顯增大;在壓力面不同截面位置處,陣風加速和陣風減速的壓力曲線基本呈平行關系;壓差值隨葉片展向位置波動較小,分別為128,127,127,125Pa,且壓力面前緣位置兩種入流方式的壓力差逐漸增大。這說明在風速變化率大小相同、方向相反的情況下,兩種入流方式對壓力面的流動影響基本一致。當空氣流經(jīng)翼型截面時,在葉片前緣會產(chǎn)生駐點(流速為零且壓強最大的點)。在葉片展向不同截面駐點處,陣風加速與減速會產(chǎn)生不同的壓力效果。在吸力面0.25倍弦長位置到尾緣處的壓力曲線基本平行分布,徑向0.25倍弦長位置為翼型截面最大厚度處。從前緣位置到最大厚度處陣風加速的壓力變化梯度比陣風減速的壓力變化明顯增大,兩種入流方式的壓力曲線失去平行分布趨勢,可能是因為前緣位置到截面最大厚度處為風壓載荷敏感區(qū)域,此時流過駐點后的空氣會加速繞過該區(qū)域;由于氣流中存在附加質(zhì)量力,因此動態(tài)入流陣風加速效果比陣風減速時明顯,從而改變吸力面上前緣位置附近流體的繞流狀態(tài)。壓力面、吸力面的壓力差直接決定著風力機葉片出力效果,為此對陣風階段葉片展向不同位置截面的表面壓差進行分析,調(diào)取相同風速下陣風加速、減速時翼型上下表面的壓力差(圖10)。如圖10所示,葉片前緣位置壓差最大;在不同展向位置從前緣到后緣,翼型表面壓差沿徑向逐漸減小,靠近前緣位置壓差變化梯度較大,靠近后緣位置壓差變化梯度較小。這也證實了翼型前緣位置到翼型最大厚度處為翼型截面主要出力區(qū)域。同時,在葉根到葉片展向0.7R位置處,陣風加速截面壓力差大于陣風減速截面壓力差,從0.7R到葉尖處,陣風減速截面壓力差大于陣風加速截面壓力差。為進一步研究陣風入流時在葉片展向不同位置的出力效果,分析了相同風速陣風加速與陣風減速時刻的切向力沿展向方向的分布(圖11)。由圖11可見,從葉根到葉尖位置切向力有一個先增加后迅速減小的過程。通過理論分析可知,在葉片實際運行中,葉根到葉尖位置的線速度逐漸增加,翼型截面攻角增大,當攻角增加到臨界值時,不斷增大的升力系數(shù)會快速下降。切向力是升力在切向方向的分量,沿著葉片展向有一個先增加后減小的趨勢。從葉根到0.7R位置,陣風加速時刻的切向力大于陣風減速時的切向力;在展向0.8R～1.0R位置處,陣風加速時刻的切向力小于陣風減速時的切向力。結合圖8來看,這與陣風入流葉片表面壓力差沿展向的變化規(guī)律一致。所以,風速相同時,陣風加速時的風輪轉(zhuǎn)矩要大于陣風減速的風輪轉(zhuǎn)矩。3相同風速下不同展向方式下風輪輸出扭矩的特征本文以穩(wěn)定、漸變風、陣風為入流方式,分析葉片在不同變風階段的氣動性能以及氣動載荷隨風速動態(tài)變化的響應特征;研究了在風速相同時,不同風速變化率對葉片展向不同位置的壓力分布及出力效果的影響。在風速相同時,不同的風速變化率會對風輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響,且風加速度越大,其影響越顯著。在相同風速下,壓力面上漸變風壓力明顯小于穩(wěn)定入流壓力,且