不同風(fēng)速下葉片氣動(dòng)性能及葉片壓力分布研究

不同風(fēng)速下葉片氣動(dòng)性能及葉片壓力分布研究

0氣動(dòng)載荷特性仿真分析風(fēng)力機(jī)在自然環(huán)境中運(yùn)行。風(fēng)速和風(fēng)速的頻繁變化導(dǎo)致氣壓在風(fēng)輪平面上的不均勻旋轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出的很大變化。在極端運(yùn)行條件下，風(fēng)力機(jī)的可靠性、破裂和坍塌變得困難。由于流場(chǎng)高速監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)展的滯后,對(duì)風(fēng)速動(dòng)態(tài)變化下的葉片氣動(dòng)載荷以及尾跡流場(chǎng)特征的實(shí)驗(yàn)研究很難進(jìn)行。為減小氣動(dòng)載荷波動(dòng)對(duì)風(fēng)電機(jī)使用壽命的影響,解決風(fēng)力機(jī)葉片不穩(wěn)定運(yùn)行出現(xiàn)的振動(dòng)、疲勞、動(dòng)態(tài)失速等安全性問(wèn)題,采用數(shù)值模擬方法獲得不同風(fēng)速變化階段葉片氣動(dòng)性能和氣動(dòng)載荷分布隨風(fēng)速動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)特征已被高度重視,科研人員對(duì)此進(jìn)行了深入研究。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者針對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)特性、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組協(xié)同控制、風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)特征等開(kāi)展了研究。但是,在風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬方面,往往局限于風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定入流條件,不能真實(shí)地反映自然環(huán)境下的風(fēng)速快速變化的特點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者對(duì)于動(dòng)態(tài)入流的研究起步較早,針對(duì)風(fēng)速動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn),通過(guò)建立動(dòng)態(tài)入流模型來(lái)估計(jì)葉片氣動(dòng)載荷本文以動(dòng)態(tài)入流的方式,通過(guò)入口處速度函數(shù)的編輯,建立了漸變風(fēng)、陣風(fēng)入流等不同變風(fēng)階段的氣動(dòng)載荷非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型;研究了不同風(fēng)速變化率對(duì)葉片氣動(dòng)性能和表面壓力分布的變化特征;通過(guò)翼型截面的上下表面壓差,分析不同入流方式對(duì)于葉片展向不同位置出力效果的影響;找尋葉片所受風(fēng)壓載荷敏感區(qū)域,以揭示不同變風(fēng)工況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩輸出特性變化的原因。1計(jì)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(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,利用SolidWorks樣條曲線功能進(jìn)行翼型截面的同步擬合和逐次放樣;通過(guò)與其他零部件的組合,完成了葉片直徑為1.4m的風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型的裝配(圖1)。1.2風(fēng)輪保護(hù)域風(fēng)輪的確定利用ANSYS中Geometry模塊對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算域的建模(圖2)。為了不影響風(fēng)輪后方尾跡流場(chǎng)的自由發(fā)展,計(jì)算域風(fēng)輪前后距離比采用為1∶3,風(fēng)輪前方計(jì)算域長(zhǎng)度為1.5m,風(fēng)輪后方為4.5m。為了準(zhǔn)確計(jì)算葉片的氣動(dòng)載荷,網(wǎng)格采用分區(qū)域加密的劃分方法,尤其是對(duì)葉片表面進(jìn)行了局部細(xì)化。1.3極端運(yùn)行陣風(fēng)模型確定和風(fēng)速模型設(shè)定計(jì)算域入口采用風(fēng)速動(dòng)態(tài)函數(shù)作為速度入口邊界條件,湍流強(qiáng)度默認(rèn)為5%。出口邊界條件設(shè)置為靜壓出口,相對(duì)壓力為零。風(fēng)力機(jī)和計(jì)算域的壁面以及地面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。如圖3所示,利用測(cè)風(fēng)儀在測(cè)風(fēng)塔不同高度處采集風(fēng)速。以中午時(shí)段夏季盛行的西南風(fēng)為主要分析依據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)的分段提取和函數(shù)擬合,得出了多段風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線(圖4)。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)速模型,確定陣風(fēng)與漸變風(fēng)兩種典型的風(fēng)工況函數(shù)模型依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(WTGS)最低的安全要求,極端運(yùn)行陣風(fēng)分為4個(gè)階段:風(fēng)速緩慢下降、風(fēng)速快速上升、風(fēng)速快速下降和風(fēng)速緩慢上升。陣風(fēng)函數(shù)由陣風(fēng)加速幅值V根據(jù)風(fēng)力機(jī)的外形尺寸和實(shí)驗(yàn)基地實(shí)際風(fēng)速變化特點(diǎn)設(shè)置如下:Λ本文設(shè)定風(fēng)速漸變時(shí)間為4s,漸變風(fēng)函數(shù)切出風(fēng)速為12m/s,切入風(fēng)速為8m/s,額定風(fēng)速為10m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持不變。動(dòng)態(tài)入流函數(shù)曲線如圖5所示。2結(jié)論分析2.1陣風(fēng)加減速時(shí)風(fēng)輪的輸出扭矩隨時(shí)間變化特征為比較風(fēng)力機(jī)在不同變風(fēng)階段功率輸出特性的變化,須得到不同風(fēng)速變化率對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性的影響,在相同變風(fēng)周期內(nèi),提取不同時(shí)刻風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù),得到了不同變風(fēng)階段風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(圖6)。圖6(a)為漸變風(fēng)與穩(wěn)定入流輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比曲線。選取工況中第2s時(shí)刻相同風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比分析,此時(shí)風(fēng)速V=10m/s?？梢悦黠@看到,漸變風(fēng)風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩小于穩(wěn)定入流風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。這說(shuō)明風(fēng)速相同時(shí),不同風(fēng)速變化率會(huì)對(duì)風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。圖6(b)為陣風(fēng)下風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線。可以明顯看到,轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的4個(gè)階段,這與陣風(fēng)入流中風(fēng)速變化特征基本一致。為比較相同風(fēng)速下風(fēng)加速和風(fēng)減速效應(yīng)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的影響,提取陣風(fēng)入流中風(fēng)速緩慢變化階段減速時(shí)刻0.5s和陣風(fēng)加速時(shí)刻3.5s的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩,此時(shí)風(fēng)速相同,V=9.84m/s。由于風(fēng)速變化率方向相反,陣風(fēng)加速時(shí)風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩大于陣風(fēng)減速時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。對(duì)比風(fēng)速快速變化階段1.5s(陣風(fēng)加速時(shí)刻)與2.5s(減速時(shí)刻),可知陣風(fēng)加速時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩要大于陣風(fēng)減速時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩,且兩時(shí)刻轉(zhuǎn)矩差相對(duì)于風(fēng)速緩慢變化階段明顯增大。這說(shuō)明在快速變風(fēng)階段,風(fēng)加速度因子較大,使陣風(fēng)加速時(shí)刻的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩明顯提高。通過(guò)理論分析可知,在動(dòng)態(tài)入流中,由于來(lái)流風(fēng)速一直處于動(dòng)態(tài)變化,空氣中有額外的風(fēng)加速度因子存在2.2漸變風(fēng)入流對(duì)葉根生長(zhǎng)和壓力分布的影響為研究相同風(fēng)速時(shí)不同風(fēng)速變化速率對(duì)葉片表面壓力分布的影響,在緊鄰風(fēng)輪前方設(shè)置監(jiān)測(cè)面,以監(jiān)測(cè)面風(fēng)速作為風(fēng)輪的實(shí)際來(lái)流風(fēng)速,提取漸變風(fēng)入流與穩(wěn)定入流在達(dá)到相同風(fēng)速(10m/s)時(shí)的壓力分布云圖(圖7)。如圖7所示,在風(fēng)速(10m/s)相同時(shí),漸變風(fēng)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(duì)較小,葉根處后緣位置漸變風(fēng)最大負(fù)壓值微弱增大。壓力云圖分布只能定性分析入流方式對(duì)于葉面壓力的影響,為進(jìn)一步定量研究漸變風(fēng)入流對(duì)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(gè)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(fēng)在不同截面處的壓力曲線變化趨勢(shì)與穩(wěn)定入流基本一致,正、負(fù)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(shuō)明漸變風(fēng)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(huì)使葉片壓力面所受壓力減小,而且還會(huì)改變?nèi)~片不同位置處的受力效果,使葉尖位置壓力相對(duì)于穩(wěn)定入流減小得更多。吸力面上漸變風(fēng)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(fēng)負(fù)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(diǎn)前,漸變風(fēng)壓力大于穩(wěn)定入流;在交匯點(diǎn)后,漸變風(fēng)壓力小于穩(wěn)定入流;交匯點(diǎn)的位置沿葉片展向位置逐漸向后緣移動(dòng)。這說(shuō)明漸變風(fēng)入流會(huì)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(dòng)態(tài)入流方式切向力的變化特征為了進(jìn)一步分析風(fēng)速變化率對(duì)葉片壓力分布的影響,選取陣風(fēng)工況中1.5s和2.5s兩個(gè)風(fēng)速快速變化時(shí)刻的葉面壓力數(shù)據(jù),V=11.73m/s,此時(shí)風(fēng)速變化率的大小相同、方向相反。分析比較漸變風(fēng)與穩(wěn)定入流工況下風(fēng)輪壓力分布差異發(fā)現(xiàn),在壓力面上,吸力面陣風(fēng)加速時(shí)的壓力值明顯大于陣風(fēng)減速時(shí)刻的壓力值。為了定量分析陣風(fēng)入流下風(fēng)速變化率對(duì)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(gè)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(duì)于漸變風(fēng)與穩(wěn)定入流壓力差,陣風(fēng)加速和陣風(fēng)減速的壓力差明顯增大;在壓力面不同截面位置處,陣風(fēng)加速和陣風(fēng)減速的壓力曲線基本呈平行關(guān)系;壓差值隨葉片展向位置波動(dòng)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(shuō)明在風(fēng)速變化率大小相同、方向相反的情況下,兩種入流方式對(duì)壓力面的流動(dòng)影響基本一致。當(dāng)空氣流經(jīng)翼型截面時(shí),在葉片前緣會(huì)產(chǎn)生駐點(diǎn)(流速為零且壓強(qiáng)最大的點(diǎn))。在葉片展向不同截面駐點(diǎn)處,陣風(fēng)加速與減速會(huì)產(chǎn)生不同的壓力效果。在吸力面0.25倍弦長(zhǎng)位置到尾緣處的壓力曲線基本平行分布,徑向0.25倍弦長(zhǎng)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(fēng)加速的壓力變化梯度比陣風(fēng)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(shì),可能是因?yàn)榍熬壩恢玫浇孛孀畲蠛穸忍帪轱L(fēng)壓載荷敏感區(qū)域,此時(shí)流過(guò)駐點(diǎn)后的空氣會(huì)加速繞過(guò)該區(qū)域;由于氣流中存在附加質(zhì)量力,因此動(dòng)態(tài)入流陣風(fēng)加速效果比陣風(fēng)減速時(shí)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(fēng)力機(jī)葉片出力效果,為此對(duì)陣風(fēng)階段葉片展向不同位置截面的表面壓差進(jìn)行分析,調(diào)取相同風(fēng)速下陣風(fēng)加速、減速時(shí)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(shí)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(shí),在葉根到葉片展向0.7R位置處,陣風(fēng)加速截面壓力差大于陣風(fēng)減速截面壓力差,從0.7R到葉尖處,陣風(fēng)減速截面壓力差大于陣風(fēng)加速截面壓力差。為進(jìn)一步研究陣風(fēng)入流時(shí)在葉片展向不同位置的出力效果,分析了相同風(fēng)速陣風(fēng)加速與陣風(fēng)減速時(shí)刻的切向力沿展向方向的分布(圖11)。由圖11可見(jiàn),從葉根到葉尖位置切向力有一個(gè)先增加后迅速減小的過(guò)程。通過(guò)理論分析可知,在葉片實(shí)際運(yùn)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(dāng)攻角增加到臨界值時(shí),不斷增大的升力系數(shù)會(huì)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(gè)先增加后減小的趨勢(shì)。從葉根到0.7R位置,陣風(fēng)加速時(shí)刻的切向力大于陣風(fēng)減速時(shí)的切向力;在展向0.8R～1.0R位置處,陣風(fēng)加速時(shí)刻的切向力小于陣風(fēng)減速時(shí)的切向力。結(jié)合圖8來(lái)看,這與陣風(fēng)入流葉片表面壓力差沿展向的變化規(guī)律一致。所以,風(fēng)速相同時(shí),陣風(fēng)加速時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩要大于陣風(fēng)減速的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。3相同風(fēng)速下不同展向方式下風(fēng)輪輸出扭矩的特征本文以穩(wěn)定、漸變風(fēng)、陣風(fēng)為入流方式,分析葉片在不同變風(fēng)階段的氣動(dòng)性能以及氣動(dòng)載荷隨風(fēng)速動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)特征;研究了在風(fēng)速相同時(shí),不同風(fēng)速變化率對(duì)葉片展向不同位置的壓力分布及出力效果的影響。在風(fēng)速相同時(shí),不同的風(fēng)速變化率會(huì)對(duì)風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響,且風(fēng)加速度越大,其影響越顯著。在相同風(fēng)速下,壓力面上漸變風(fēng)壓力明顯小于穩(wěn)定入流壓力,且