2MW 风电机组叶片气动性能计算方法的研究

新能源专题

2009年第8期 68 2MW风电机组叶片气动性能计算方法的研究

刘 勋 鲁庆华 訾宏达 孙伟军 （北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040） 摘要 本文以某2MW风电机组的叶片为实例，总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。使用XFOIL和Fluent软件，对叶片不同截面的翼型计算了小攻角范围内的气动性能，并对两种计算结果进行对比分析；在翼型小攻角气动性能的基础上，利用Viterna-Corrigan修正将翼型的气动性能扩展到±180°全攻角范围。使用这些全攻角翼型气动性能数据，在Bladed软件中建立风电机组的叶片模型，分析计算该叶片的气动性能、整机功率曲线等性能。通过最终计算结果与原设计值对比，表明采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。 关键词：风力发电机；叶片；气动性能 The Research of Aerodynamics Performance Calculation Method of 2MW Horizontal Wind Turbine Blades Liu Xun Lu Qinghua Zi Hongda Sun Weijun （Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd, Beijing 100040） Abstract A suit of aerodynamics performance analyses method in the practical engineering calculation is obtained by research the blade of a 2MW horizontal axis wind turbine. With the software of XFOIL and Fluent, the aerodynamic performances of airfoil in the small angle of attack arrange are calculated in the different radial location. The XFOIL and Fluent calculation results are compared. On the base of the small angle of attack arrange, using the Viterna-Corrigan post stall modified, the aerodynamic performances of the airfoil are extended from -180°to +180°angle of attack range. With the XFOIL calculation data of all angle of attack range, the blade models of this wind turbine are founded in the software of bladed. The simulation results of the blade root load and the power curve of aerodynamic performance on the wind turbine are obtained. The Comparison between simulation results and original design shows the aerodynamics performance analyses method is viable. Key words：wind turbine；blade；aerodynamics performance 1 引言 风能是一种清洁、用之不竭的能源。风能不仅储量丰富，而且分布广泛。2006年国家气候中心对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m高度层风能资源技术可开发量为25.48 亿kW[1]。此外，风能的开发相较与其他新能源也更为容易。因此，近年来，风力发电得到了国家、社会、各投资研发机构的高度关注，而风电产业也进入了高速发展的时期。 风力发电机组通过叶片吸收风能，将其转化为传动链的机械能。风机叶片的设计是兆瓦级大型风电机组的最为重要的关键技术之一。而叶片气动性能计算是风机叶片及风电机组设计和校核中的重要环节。目前比较成熟叶片气动分析方法是基于叶素动量理论（BEM），并针对风机叶片特点在该理论上作了相应的经验修正。而Bladed软件正是以该方法为基础开发的风机性能计算商用软件，已广泛用于风机叶片及风机机组的设计、认证。 通过这些方法及软件作风机叶片的气动性能分析，都需要获得叶片所用翼型的气动特性曲线，如升力、阻力系数曲线等。通常，各类翼型的这些气动特性都是在风洞中实验获得，其实验过程需要专业的设备，且周期长费用高。此外，风机专用低速翼型，如DU系列、FFA-W系列、Risø-A1系列，其气动特性通常是不公开的。 本文以某2MW变速变桨风电机组为实例，通过数值模拟的方法得到该机组叶片所用翼型的气动特性曲线，弥补了实验方法的不足。在此计算结果的基础上，通过Bladed软件建模分析，获得该风电新能源专题

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9机组工作性能曲线，进而总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。并通过与原设计值进行对比分析，验证该方法的准确性。 2 翼型的气动特性计算 随着计算机技术的不断发展，采用CFD方法计算风力机翼型参数的方法得到了很大的推广，解决了通过实验获得数据的局限，然而CFD方法在计算翼型边界层流动中，由于流动分离，二维模型计算结果与实验偏差较大，采用三维计算受到计算机硬件的限制，同时计算时间较长，耗时耗力，目前在工程中应用有很大的困难[2]。 XFoil是亚音速翼型分析和设计软件，在风机专用翼型设计方面也有广泛应用[3]。在翼型失速前的小攻角范围内，该软件计算结果与实验数据有很好的一致性[3-4]。在翼型失速点附近，XFoil计算升力系数较实验值略为偏大。对于变速变桨风电机组，叶片设计工作点一般处于最大升阻比附近，此时使用XFoil计算的翼型气动特性曲线是可靠的。 该叶片使用优化后的DU-xx系列和NACA 636xx系列翼型，通过XFoil计算，得到这些翼型的气动特性曲线，如图1所示（以DU-25为例）。其中，计算时雷诺数为6×106，马赫数0.2。

图1 DU-25翼型升力、阻力系数曲线 同时，作为对比，本文使用Fluent软件分析了DU-25翼型气动特性。计算采用C型结构化网格，10倍弦长的压力远场计算区域，如图2所示。攻角为5°角。计算得到升力系数为0.84，XFoil计算值为0.9。翼型压力分布对比如图3所示。

图2 流场网格结构

图3 翼型表面压力分布对比 3 Viterna-Corrigan修正 风电机组运行的环境复杂多变，其叶片并不总是工作在正常工况下。风可能以各种角度吹向叶片。因此，在分析风机叶片在各种工况下气动性能时，获得翼型的±180°全攻角范围的气动特性曲线是必要的。通常我们可以通过Viterna-Corrigan修正的方法[5]，将小攻角范围内的翼型气动特性系数外推至全攻角范围。该方法假定大攻角时翼型的气动特性与平板类似，此时气动系数只与平板的展弦比有关。Viterna-Corrigan修正方法描述如下[6]： 在0~90°攻角范围内，大攻角翼型的升力、阻力系数可由下式得出 DmaxDmax2.01501.110.01850CARCARAR=>⎧⎨=+⎩；；≤ 2DDmax2sincosCCBαα=+ 2DmaxL2Ccossin22sinCAααα=+ 2DsDmaxs2sC-CsincosBαα=

()s2DsDmaxss2ssin-sincoscosACCαααα= 其中，AR为叶片的展弦比。下标s表示失速攻角（当外推起始攻角大于失速攻角时，s表示外推起始攻角）。 对于90°~180°和-180°~0°攻角范围，翼型的升力系数通过缩放和镜像0~90°的升力系数曲线获得。对于不对称翼型，缩放系数为0.7。攻角±180°时，升力系数为0。其他升力系数曲线所缺部分，通过线性插值获得。阻力系数不缩放，直接镜像获得。 外推得到±180°攻角范围的翼型气动特性如图4所示（以DU-25为例）。 4 Bladed建模分析 在上述方法得到的叶片翼型气动特性曲线的基础上，本文使用GH公司的Bladed商业软件，构建新能源专题

2009年第8期 70 了该2MW机型的叶片几何模型和部分整机模型，并作了气动性能分析。模型的基本参数见表1。

图4 DU-25翼型±180°攻角范围升力、阻力系数曲线 表1 模型的基本参数 参数名称 参数值 叶片长度/m 39.1 最大弦长/m 2.95 叶片投影面积/m2 81.5 叶片锥角 1° 扭角 3.2°~15° 所用翼型 DU-xx系列，NACA 636xx系列 风轮直径/m 80 轮毂高度/m 80 风轮仰角 5° 额定风轮转速/r/min 18 功率控制 变速变桨 4.1 Cp-λ曲线 风能利用系数综合反应了叶片的气动性能，是叶片最重要的设计参数。图5

为计算的叶片风能利用系数Cp与尖速比λ的关系图，

可以看出当尖速比在8~9范围内，叶片的有最高的风能利用系数，Cp最大值为0.49。 该叶片原设计尖速比为8，理论风能利用率为0.48。二者偏差约为2%。

图5 计算风能利用系数-尖速比特性图 4.2 功率曲线、推力曲线 图6~7分别为计算的标准风机功率、推力曲线与原设计标准功率曲线和推力曲线的对比图（功率曲线考虑机械和电气损失）。两种功率曲线在中风速区域符合的很好；在低风速区，计算功率值偏小。这是因为受Bladed模型中发电机最低转速限制，低风速下不能保证叶片处于最佳尖速比状态，风能利用系数较低。但该2MW风电机组具有低转速（低于一般电机转速下限）发电功能，在低风速下也能保持较高的Cp值。在额定风速附近，控制系统已开始驱动变桨，限制功率。由于Bladed模型中设置的控制模式与原设计不一致，导致该区域计算功率偏大。

图6 计算功率曲线对比

图7 计算推力系数曲线对比 在低风速下，计算推力系数偏差较大，这也与该机组低转速下发电功能有关。中风速下，计算值也有一定偏差，但在工程计算允许的范围内。 5 结论 通过本文总结的方法，分析某2MW风电机组的风能利用率、功率曲线、推力系数曲线。与原设计值对比表明，该方法得到的气动性能在一定程度上是符合原设计值的，采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。 参考文献 [1] 李俊峰,高虎. 2008中国风电发展报告[R]. 北京：中国环境科学出版社,2008. [2] 张义华. 水平轴风力机空气动力学数值模拟[D]. 重庆: 重庆大学,2007. [3] W.A. Timmer, R.P.J.O.M. van Rooij. Summary of the Delft University wind turbine dedicated airfoils [J]. J. Sol. Energy Eng, 2003. [4] 叶枝全. 适用于风力机的新翼型气动性能的实验研究[J]. 太阳能学报,2003,24(4). [5] Viterna, L.A. & Janetzke, D.C. Theoretical and experimental power from large horizontal-axis wind turbines [C]. Fifth Biennial Wind Energy Conference & Workshop, 1981. [6] P.J. Moriarty, A. C. Hansen. AeroDyn Theory Manual[R]. National Renewable Energy Laboratory, 2005.