不同风速下叶片气动性能及叶片压力分布研究

不同风速下叶片气动性能及叶片压力分布研究

0气动载荷特性仿真分析风力机在自然环境中运行。风速和风速的频繁变化导致气压在风轮平面上的不均匀旋转，这导致风机输出的很大变化。在极端运行条件下，风力机的可靠性、破裂和坍塌变得困难。由于流场高速监测设备发展的滞后,对风速动态变化下的叶片气动载荷以及尾迹流场特征的实验研究很难进行。为减小气动载荷波动对风电机使用寿命的影响,解决风力机叶片不稳定运行出现的振动、疲劳、动态失速等安全性问题,采用数值模拟方法获得不同风速变化阶段叶片气动性能和气动载荷分布随风速动态变化的响应特征已被高度重视,科研人员对此进行了深入研究。国内一些学者针对风轮空气动力学特性、风力发电机组协同控制、风力机尾迹流场特征等开展了研究。但是,在风力机的数值模拟方面,往往局限于风力机稳定入流条件,不能真实地反映自然环境下的风速快速变化的特点。国外学者对于动态入流的研究起步较早,针对风速动态变化的特点,通过建立动态入流模型来估计叶片气动载荷本文以动态入流的方式,通过入口处速度函数的编辑,建立了渐变风、阵风入流等不同变风阶段的气动载荷非稳态计算模型;研究了不同风速变化率对叶片气动性能和表面压力分布的变化特征;通过翼型截面的上下表面压差,分析不同入流方式对于叶片展向不同位置出力效果的影响;找寻叶片所受风压载荷敏感区域,以揭示不同变风工况下风轮转矩输出特性变化的原因。1计算值的值1.1翼型截面的同步拟合和放样本文以某S翼型三叶片小型水平轴风力机为研究对象,利用SolidWorks样条曲线功能进行翼型截面的同步拟合和逐次放样;通过与其他零部件的组合,完成了叶片直径为1.4m的风力机整机模型的装配(图1)。1.2风轮保护域风轮的确定利用ANSYS中Geometry模块对风力机进行流场计算域的建模(图2)。为了不影响风轮后方尾迹流场的自由发展,计算域风轮前后距离比采用为1∶3,风轮前方计算域长度为1.5m,风轮后方为4.5m。为了准确计算叶片的气动载荷,网格采用分区域加密的划分方法,尤其是对叶片表面进行了局部细化。1.3极端运行阵风模型确定和风速模型设定计算域入口采用风速动态函数作为速度入口边界条件,湍流强度默认为5%。出口边界条件设置为静压出口,相对压力为零。风力机和计算域的壁面以及地面设置为无滑移壁面。如图3所示,利用测风仪在测风塔不同高度处采集风速。以中午时段夏季盛行的西南风为主要分析依据,进行数据的分段提取和函数拟合,得出了多段风速随时间变化曲线(图4)。结合风力发电规范中规定的风速模型,确定阵风与渐变风两种典型的风工况函数模型依据风力发电机组(WTGS)最低的安全要求,极端运行阵风分为4个阶段:风速缓慢下降、风速快速上升、风速快速下降和风速缓慢上升。阵风函数由阵风加速幅值V根据风力机的外形尺寸和实验基地实际风速变化特点设置如下:Λ本文设定风速渐变时间为4s,渐变风函数切出风速为12m/s,切入风速为8m/s,额定风速为10m/s,风轮转速保持不变。动态入流函数曲线如图5所示。2结论分析2.1阵风加减速时风轮的输出扭矩随时间变化特征为比较风力机在不同变风阶段功率输出特性的变化,须得到不同风速变化率对风轮气动特性的影响,在相同变风周期内,提取不同时刻风轮转矩数据,得到了不同变风阶段风轮转矩随时间变化曲线(图6)。图6(a)为渐变风与稳定入流输出转矩对比曲线。选取工况中第2s时刻相同风速时的转矩进行对比分析,此时风速V=10m/s。可以明显看到,渐变风风轮输出转矩小于稳定入流风轮转矩。这说明风速相同时,不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响。图6(b)为阵风下风轮转矩随时间变化曲线。可以明显看到,转矩随时间变化的4个阶段,这与阵风入流中风速变化特征基本一致。为比较相同风速下风加速和风减速效应对风轮转矩的影响,提取阵风入流中风速缓慢变化阶段减速时刻0.5s和阵风加速时刻3.5s的风轮转矩,此时风速相同,V=9.84m/s。由于风速变化率方向相反,阵风加速时风轮输出转矩大于阵风减速时风轮转矩。对比风速快速变化阶段1.5s(阵风加速时刻)与2.5s(减速时刻),可知阵风加速时的风轮转矩要大于阵风减速时的风轮转矩,且两时刻转矩差相对于风速缓慢变化阶段明显增大。这说明在快速变风阶段,风加速度因子较大,使阵风加速时刻的风力机输出转矩明显提高。通过理论分析可知,在动态入流中,由于来流风速一直处于动态变化,空气中有额外的风加速度因子存在2.2渐变风入流对叶根生长和压力分布的影响为研究相同风速时不同风速变化速率对叶片表面压力分布的影响,在紧邻风轮前方设置监测面,以监测面风速作为风轮的实际来流风速,提取渐变风入流与稳定入流在达到相同风速(10m/s)时的压力分布云图(图7)。如图7所示,在风速(10m/s)相同时,渐变风压力面所受压力明显小于稳定入流,且压力面最大正压区沿径向变小,最小压力区沿展向和径向变大;吸力面压力分布变化相对较小,叶根处后缘位置渐变风最大负压值微弱增大。压力云图分布只能定性分析入流方式对于叶面压力的影响,为进一步定量研究渐变风入流对叶片压力分布的影响规律,沿叶片展向方向截取0.3,0.5,0.7,0.9R位置处的4个截面,作出叶片各截面压力沿径向变化曲线(图8)。由图8可知,渐变风在不同截面处的压力曲线变化趋势与稳定入流基本一致,正、负最大压力值仍然出现在叶片前缘的压力面和吸力面位置处;在压力面上可以明显看到两种入流方式存在较大的压力差,且压力差沿叶片展向逐渐增大,分别为36,39,45,50Pa。这说明渐变风入流阶段,与流体自身压力方向相反地附加质量力,不仅会使叶片压力面所受压力减小,而且还会改变叶片不同位置处的受力效果,使叶尖位置压力相对于稳定入流减小得更多。吸力面上渐变风与稳定入流压力曲线十分接近,但变化梯度却有不同,渐变风负压力从叶片前缘位置到后缘位置增加明显较慢。在两种入流方式的压力曲线的交汇点前,渐变风压力大于稳定入流;在交汇点后,渐变风压力小于稳定入流;交汇点的位置沿叶片展向位置逐渐向后缘移动。这说明渐变风入流会改变吸力面压力变化梯度,且压力增加梯度沿叶片展向位置逐渐增大。2.3动态入流方式切向力的变化特征为了进一步分析风速变化率对叶片压力分布的影响,选取阵风工况中1.5s和2.5s两个风速快速变化时刻的叶面压力数据,V=11.73m/s,此时风速变化率的大小相同、方向相反。分析比较渐变风与稳定入流工况下风轮压力分布差异发现,在压力面上,吸力面阵风加速时的压力值明显大于阵风减速时刻的压力值。为了定量分析阵风入流下风速变化率对叶片分布特征的影响,沿叶片展向方向截取0.3,0.5,0.7,0.9R共4个位置截面,提取截面上压力沿径向变化的数据绘制压力曲线图(图9)。相对于渐变风与稳定入流压力差,阵风加速和阵风减速的压力差明显增大;在压力面不同截面位置处,阵风加速和阵风减速的压力曲线基本呈平行关系;压差值随叶片展向位置波动较小,分别为128,127,127,125Pa,且压力面前缘位置两种入流方式的压力差逐渐增大。这说明在风速变化率大小相同、方向相反的情况下,两种入流方式对压力面的流动影响基本一致。当空气流经翼型截面时,在叶片前缘会产生驻点(流速为零且压强最大的点)。在叶片展向不同截面驻点处,阵风加速与减速会产生不同的压力效果。在吸力面0.25倍弦长位置到尾缘处的压力曲线基本平行分布,径向0.25倍弦长位置为翼型截面最大厚度处。从前缘位置到最大厚度处阵风加速的压力变化梯度比阵风减速的压力变化明显增大,两种入流方式的压力曲线失去平行分布趋势,可能是因为前缘位置到截面最大厚度处为风压载荷敏感区域,此时流过驻点后的空气会加速绕过该区域;由于气流中存在附加质量力,因此动态入流阵风加速效果比阵风减速时明显,从而改变吸力面上前缘位置附近流体的绕流状态。压力面、吸力面的压力差直接决定着风力机叶片出力效果,为此对阵风阶段叶片展向不同位置截面的表面压差进行分析,调取相同风速下阵风加速、减速时翼型上下表面的压力差(图10)。如图10所示,叶片前缘位置压差最大;在不同展向位置从前缘到后缘,翼型表面压差沿径向逐渐减小,靠近前缘位置压差变化梯度较大,靠近后缘位置压差变化梯度较小。这也证实了翼型前缘位置到翼型最大厚度处为翼型截面主要出力区域。同时,在叶根到叶片展向0.7R位置处,阵风加速截面压力差大于阵风减速截面压力差,从0.7R到叶尖处,阵风减速截面压力差大于阵风加速截面压力差。为进一步研究阵风入流时在叶片展向不同位置的出力效果,分析了相同风速阵风加速与阵风减速时刻的切向力沿展向方向的分布(图11)。由图11可见,从叶根到叶尖位置切向力有一个先增加后迅速减小的过程。通过理论分析可知,在叶片实际运行中,叶根到叶尖位置的线速度逐渐增加,翼型截面攻角增大,当攻角增加到临界值时,不断增大的升力系数会快速下降。切向力是升力在切向方向的分量,沿着叶片展向有一个先增加后减小的趋势。从叶根到0.7R位置,阵风加速时刻的切向力大于阵风减速时的切向力;在展向0.8R～1.0R位置处,阵风加速时刻的切向力小于阵风减速时的切向力。结合图8来看,这与阵风入流叶片表面压力差沿展向的变化规律一致。所以,风速相同时,阵风加速时的风轮转矩要大于阵风减速的风轮转矩。3相同风速下不同展向方式下风轮输出扭矩的特征本文以稳定、渐变风、阵风为入流方式,分析叶片在不同变风阶段的气动性能以及气动载荷随风速动态变化的响应特征;研究了在风速相同时,不同风速变化率对叶片展向不同位置的压力分布及出力效果的影响。在风速相同时,不同的风速变化率会对风轮输出转矩产生影响,且风加速度越大,其影响越显著。在相同风速下,压力面上渐变风压力明显小于稳定入流压力,且