CN105840434B - 一种风电叶片涡流发生器优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电叶片涡流发生器优化设计方法。该方法主要利用计算流体动力学技术对风电叶片的气动特性进行数值模拟，以获取风力机的功率曲线和叶片表面边界层流动分离情况，然后结合空气动力学原理确定涡流发生器的设计参数，最后再对安装涡流发生器的叶片进行数值模拟，并将模拟结果与未安装涡流发生器的叶片气动特性数值模拟结果进行对比，以评估涡流发生器的效果，并寻找进一步优化的方向。该方法克服了传统设计方法所具有的设计周期长、设计费用高，难以对设计结果进行优化，以及不能随叶片和风场的具体情况灵活变化等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电叶片涡流发生器优化设计方法，特别是一种采用空气动力学理论和计算流体动力学技术的设计方法，属于空气动力学和风力发电技术的交叉领域。
背景技术
风电叶片的气动外形通常是以空气动力学理论为基础，以功率系数或气动效率最大化为主要目标设计的。完全按照这种方式设计的叶片，叶根附近的叶片厚度较小，而弦长和扭角较大，难以满足结构性能的要求，也不利于制造和安装。因此，实际的叶片在进行气动外形设计时，通常会牺牲部分气动性能，在叶根附近选用相对厚度较大的翼型，同时适当减小叶片的弦长和扭角。这种处理方式将导致叶根附近出现边界层流动分离，从而进一步降低叶片的气动效率。而缓解流动分离现象的一种有效途径是在流动分离区安装涡流发生器。
涡流发生器是一种典型的被动型流动控制装置，在结构上通常是一种以某一安装角垂直安装在叶片表面上的小展弦比机翼。涡流发生器的基本原理是通过产生沿流向发展的翼尖涡，将主流区的流体带入能量匮乏的边界层，以增强边界层内外流体的动量和能量交换，从而抑制边界层的流动分离。将涡流发生器安装在风电叶片表面可以延迟翼型失速、提高翼型的最大升力系数，从而在一定条件下增加叶片的功率输出、提高风力机的年发电量。
涡流发生器存在多种不同的结构形式，且设计参数众多。对于常见的三角形涡流发生器，其设计参数就包括长度、高度、倾斜角度等，在叶片上安装时还要考虑安装位置、分布间距和数量等。这些参数的选择对涡流发生器的实际效果具有重要影响。目前，风电叶片涡流发生器的设计和效果评估主要依赖经验和风场测试。具体方法如下：首先，根据经验或某些实验初步确定涡流发生器的设计参数，并制造出相应的模具和样品；然后，将涡流发生器安装到目标风力机的叶片上，通过一年左右的测试获得风力机安装涡流发生器之后的功率曲线、年发电量等实际运行数据；最后，通过对比安装涡流发生器前后风力机的功率曲线或年发电量，评估涡流发生器的实际效果，并分析进一步优化的方向。这种设计方法明显具有设计周期长、设计费用高，难以对设计结果进行优化，以及不能随叶片和风场的具体情况灵活变化等缺点。
为了克服以上缺点，本发明提出一种基于空气动力学理论和计算流体动力学的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服风电叶片涡流发生器传统设计方法具有的设计周期长、设计费用高，以及不能随叶片和风场的具体情况灵活变化等缺点，提供了一种基于空气动力学理论和计算流体动力学(CFD)的设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种风电叶片涡流发生器优化设计方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：以风电叶片气动外形的三维几何模型为基础，按照计算流体动力学的基本要求，利用CFD网格生成软件，针对空气绕过风力机风轮的三维流场创建CFD网格；
第二步：利用以上网格和CFD软件，对启动风速至额定风速范围内的各个稳态风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟。其中，各风速条件下风轮的转速和叶片桨距角等运行参数与设计运行参数或实际运行参数保持一致。根据数值模拟结果计算风力机的功率曲线，并获取各个风速条件下叶片表面的分离区范围和流动分离程度。
第三步：根据第二步得到的叶片表面流动分离情况，结合空气动力学理论初步确定涡流发生器的尺寸、安装位置、分布范围和数量等设计参数。然后利用CAD几何建模软件，创建安装涡流发生器之后叶片的三维几何模型。在此基础上，再利用CFD网格生成软件创建相应的三维流场网格；
第四步：利用以上网格和CFD软件，对启动风速至额定风速范围内的各个稳态风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟。其中，各风速下风力机的转速和桨距角等运行参数与第二步保持一致。根据数值模拟结果，计算出风力机安装涡流发生器之后的功率曲线，并获取各风速下叶片表面的流动分离情况；
第五步：利用第二步和第四步数值模拟得到的风力机安装涡流发生器前后的功率曲线，以及风电场的风速概率概率分布曲线，计算两种情况下风力机的年发电量，从而对涡流发生器的效果进行直观的对比评估。如果涡流发生器的效果达到预期目标，即可对设计结果进行批量生产和推广应用；如果涡流发生器的效果未能达到预期目标，则可返回第三步重新确定设计参数，并重复第四步和第五步，直到达到预期目标，从而完成涡流发生器的优化设计。其中，通过对比第二步和第四步得到的叶片表面流动分离情况，可以获得优化设计的方向。
同现有技术相比，本发明的风电叶片涡流发生器优化设计方法，基于空气动力学理论和计算流体动力学(CFD)，克服了风电叶片涡流发生器传统设计方法具有的设计周期长、设计费用高，难以对设计结果进行优化，以及不能随叶片和风场的具体情况灵活变化等缺点。
附图说明
图1为三角形涡流发生器的设计参数示意图
图2是在未安装涡流发生器的情况下，来流风速为8m/s时叶片吸力面表面的极限流线图
图3是在安装涡流发生器以后，来流风速为8m/s时叶片吸力面表面的极限流线图
表1是风力机安装涡流发生器前后各个风速条件下的功率输出
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
本实施例是针对某1.5MW风力机的叶片设计涡流发生器的方法，目的在于根据给定风电叶片的气动外形和运行参数设计一款能够有效提高风力机年发电量的涡流发生器。
所选择的机型为当前风电市场上装机量较大的一种1.5MW风力机。该风力机是一种三叶片、水平轴、变速变桨型风力机，风轮直径约为86m，启动风速为3m/s，额定风速为10m/s，切出风速为25m/s。设计涡流发生器的结构形式为三角形涡流发生器。如图1所示，三角形涡流发生器的设计参数包括长度d、高度h、倾斜角度β，以及在叶片上的安装位置、分布间距a，b和数量。
以下是设计步骤：
(一)以该风力机叶片气动外形的三维几何模型为基础，按照计算流体动力学的基本要求，利用CFD网格生成软件，针对空气绕过风力机风轮的三维流场创建CFD网格。
(二)利用以上网格和CFD软件，对3m/s，4m/s，……，9.9m/s等8个风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟。数值模拟时，各个风速下风轮的转速以及叶片的桨距角等运行参数与设计运行参数保持一致。对于风速超过额定风速的工况，由于发电机额定功率的限制和风力机变桨系统的调节，涡流发生器无法提高风力机的输出功率，因此无需对这些工况进行模拟。根据数值模拟结果计算得到了各个风速下风力机的功率，即风力机的功率曲线，同时还获取了各个风速条件下叶片表面的边界层流动分离情况。图2即为来流风速为8m/s时叶片吸力面表面的极限流线图。从图中可以看出叶片根部附近出现了流动分离现象，分离区的范围从叶根延伸到叶片最大弦长以外的位置，而分离线从变桨轴附近向叶片尾缘方向延伸。
(三)根据叶片表面边界层的流动分离情况，同时考虑到叶根圆柱段的线速度较小，对风力机的功率输出几乎没有贡献，所以涡流发生器安装在叶片上的起始位置设为距离叶根4m处。另一方面，考虑到实际运行过程中叶片表面的流动分离区可能进一步扩大，所以涡流发生器安装在叶片上的终止位置设为距离叶根12m处，适当超出了数值模拟得到的分离区范围。涡流发生器在叶片弦向的安装位置应当接近叶片表面流动分离线的位置，但为了定位和安装方便，初步设计为平行于变桨轴的直线，且距离变桨轴大约200～300mm。根据涡流发生器的原理，涡流发生器的长度和高度应当与当地弦长成正比，但在叶片4～12m处弦长变化并不显著，因此所有涡流发生器的长度和高度可设为同一值。其中长度d约为60～100mm，高度h约为15～30mm，安装角β约为10～20度。涡流发生器的分布间距a约为40～60mm，b约为120～160mm。根据以上设计参数，可利用CAD几何建模软件创建安装涡流发生器之后叶片的三维几何模型。在此基础上，再利用CFD网格生成软件创建相应的三维流场网格。
(四)利用以上网格和CFD软件，对3m/s，4m/s，……，9.9m/s等8个风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟。数值模拟时，各个风速下风轮的转速以及叶片的桨距角等运行参数与第二步保持一致。根据数值模拟结果，计算出风力机安装涡流发生器之后的功率曲线，并获取各风速下叶片表面的流动分离情况。表1即为第二步和第四步的数值模拟得到的风力机安装涡流发生器前后的功率变化情况，可以看出初步设计的涡流发生器能在风速低于额定风速时有效提高风力机的功率输出。图3是安装涡流发生器以后，当来流风速为8m/s时叶片吸力面表面的极限流线图，与图2对比可以看出，安装涡流发生器以后叶片表面的分离区明显缩小，说明初步设计的涡流发生器确实抑制了流动分离。
表1风力机安装涡流发生器前后的功率变化情况
(四)根据IEC 61400-1：2005(E)，风力机轮毂高度的10分钟平均风速的概率分布符合瑞利分布：
PR(Vhub)＝1-exp[-π(Vhub/2Vave)2]
其中，Vhub是10分钟平均风速，Vave是年平均风速。由于该1.5MW风力机的额定风速为10m/s，所以Vave应取7.5m/s。利用以上公式以及第二步和第四步计算得到的风速功率曲线可算出该风力机安装涡流发生器前后的年发电量分别为633.66万kWh和640.05万kWh，安装涡流发生器之后风力机的年发电量提高了1.01％，满足设计要求。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (4)
1.一种风电叶片涡流发生器优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法包括以下步骤：
SS1：以风电叶片气动外形的三维几何模型为基础，利用CFD网格生成软件，针对空气绕过风力机风轮的三维流场创建CFD网格；
SS2：利用步骤SS1中生成的网格和CFD软件，对启动风速至额定风速范围内的各个稳态风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟，其中，各风速条件下风力机的运行参数与设计运行参数或实际运行参数保持一致，根据数值模拟结果计算风力机的功率曲线，并获取各个风速条件下叶片表面的分离区范围和流动分离程度，所述风力机的运行参数为风力机的转速和叶片桨距角；
SS3：根据步骤SS2中得到的叶片表面流动分离情况，结合空气动力学理论初步确定涡流发生器的设计参数，然后利用CAD几何建模软件，创建安装涡流发生器之后叶片的三维几何模型，在此基础上，再利用CFD网格生成软件创建相应的三维流场网格，所述涡流发生器的设计参数为涡流发生器的尺寸、安装位置、分布范围和数量；
SS4：利用步骤SS3中生成的网格和CFD软件，对启动风速至额定风速范围内的各个稳态风速条件下风力机的气动特性进行数值模拟，其中，各风速下风力机的运行参数与第二步保持一致，根据数值模拟结果，计算出风力机安装涡流发生器之后的功率曲线，并获取各风速下叶片表面的流动分离情况，所述风力机的运行参数为风力机的转速和叶片桨距角；
SS5：利用步骤SS2和步骤SS4数值模拟得到的风力机安装涡流发生器前后的功率曲线，以及风电场的风速概率分布曲线，计算两种情况下风力机的年发电量，从而对涡流发生器的效果进行直观的对比评估，如果涡流发生器的效果达到预期目标，即可对设计结果进行批量生产和推广应用；如果涡流发生器的效果未能达到预期目标，则返回步骤SS3重新确定设计参数，并重复步骤SS4和步骤SS5，直到达到预期目标，从而完成涡流发生器的优化设计，其中，通过对比步骤SS2和步骤SS4得到的叶片表面流动分离情况，获得优化设计的方向。
2.如权利要求1所述的风电叶片涡流发生器优化设计方法，其特征在于，所述方法适用于变速变桨型风力机或失速型风力机。
3.如权利要求1或2所述的风电叶片涡流发生器优化设计方法，其特征在于，所述方法适用于三角形、矩形或梯形涡流发生器的设计。
4.如权利要求1风电叶片涡流发生器优化设计方法，其特征在于，所述的方法，如果只利用五个步骤中的前四步，也能完成涡流发生器的设计。
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