覆冰对风力发电机叶片气动性能影响的仿真研究

朱贵森, 郑长川

(1.乌海职业技术学院,内蒙古自治区 乌海 016000; 2.海勃湾发电厂,内蒙古自治区 乌海 016000)

覆冰对风力发电机叶片气动性能影响的仿真研究

朱贵森1, 郑长川2

(1.乌海职业技术学院,内蒙古自治区 乌海 016000; 2.海勃湾发电厂,内蒙古自治区 乌海 016000)

覆冰对风力发电机叶片会造成一定的伤害，为了研究覆冰对风力发电机叶片气动性能的影响，使用κ-ε紊流模型对NACA 23012翼型进行了仿真分析，着重分析了在40°攻角情况下翼型覆冰前后的气动性能，发现该翼型在仿真条件下升力明显减小、阻力增大，升阻比由覆冰前的1.594下降到了覆冰后的0.7，机翼附近的压强云图显示翼型上表面已形成了涡流区域，说明空气动力性能发生恶化，翼型产生了失速现象。同时对比了覆冰前后翼型附近的压强、空气速度，仿真结果表明覆冰的存在是翼型周围的空气压强、速度场畸变得更严重。

覆冰； 风机叶片； 气动性能

0 引 言

由于特定季风气候、地形地理条件，我国可利用风力资源地区集中在东北、华北、西北(“三北”)以及东南沿海地带，具有很大的商业开发价值。寒冷的冬春季节，“三北”地区的平均气温在零度以下，在雨雪天气中，空气中的过冷却水滴在风力作用下撞击在风轮机叶片上形成覆冰[1]。覆冰改变了风机叶片的线型轮廓，使叶片的空气动力性能恶化，进而导致风轮机力矩不足以带动风力发电机在额定状态在运行，导致电能减产，覆冰严重的情况下将导致叶片变形甚至风机损毁，大块覆冰脱落导致的叶片振动也会对风力发电机叶片产生危害。

叶片覆冰外形与攻角、空气中过冷却水的含量、风速等因素均有关系，可以通过数值模拟的方法选择符合自然环境下的控制参数获得翼型覆冰外形[2]。

随着风电快速发展，国内研究者对该问题的研究集中在通过选用合适的紊流模型和计算流体力学方法，对不同风机翼型、不同覆冰形态的空气动力性能进行仿真，普遍得到覆冰使叶片空气动力性能恶化的结论[3-8]。挪威、加拿大、日本等研究者更加注重探讨影响叶片覆冰的因素，并尝试使用三维模型、完善算法结合风洞覆冰试验结果对叶片覆冰进行分析[9-13]。

本文分析了覆冰对风力发电机叶片气动性能的影响，通过仿真软件使用κ-ε紊流模型分析叶片覆冰前后升力、阻力的变化，分析这种变化产生的后果以及提出相应的解决方案。研究覆冰对风机叶片气动性能的影响，对防止覆冰事故有着一定的指导意义。

1 风力发电机叶片的气动性能

1.1 相关概念

风力发电机叶片通过捕捉风能并将其转换成机械能，通过齿轮箱增速带动发电机发电。风能与风速的3次方成正比，当风速较小时不能正常启动。风轮机的转速取决于叶片受力的大小，风吹向叶片时，叶片同时受到升力和阻力的作用，来风方向与叶片中线的夹角称为攻角。

翼型的选择对风力发电机的效率有很大影响，使用具有较高升阻比的翼型的风力发电机效率越高。目前，水平轴风力发电机叶片使用的翼型主要有航空翼型及其修正翼型[13]，如NACA系列、NASA LS系列；也有专门的风力机翼型，如美国的NERL S系列、荷兰的DU系列等。本文选用NACA 23012翼型进行覆冰前后的空气动力性能分析。

风力利用系数是风轮机将风能转换为机械能的效率，是风速、叶片转速、叶片直径和桨距角有关的函数。贝茨理论指出理想风轮的最大风能利用系数为0.593。

1.2 风力发电机叶片的气动性能

翼型的气动性能是指翼型在与气体发生相对运动的过程中，气体的流动特性对翼型升力、阻力的影响。气动性能发生恶化，风轮机不能获得足够的力矩带动发电机正常发电，严重情况下风轮机将出现失速现象产生一系列后果。

失速现象是指当攻角超过某一临界值，翼型附近的其他流动状况发生恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区。一般情况下，攻角超过临界值越多，产生的失速现象越严重，气体的流动阻力越大。叶片失速导致平衡状态破坏，叶片受到的应力增加，不及时纠正则可能发生叶片断裂事故。

2 覆冰对风力发电机叶片气动性能影响的仿真研究

2.1 仿真模型

风力发电机在寒冷的雨雪天气中运行过程中空气的雷诺系数大，当雷诺系数大于10 000则可视为完全紊流。标准的κ-ε模型是一个半经验模型[14]，其有两个基本方程，一个是湍动能κ的传输方程，另一个是扩散率ε的传输方程，适用于完全紊流流动。因此本文选用该模型作为叶片覆冰仿真所用的紊流模型。

2.2 覆冰前后叶片升阻力的变化

本文使用标准κ-ε模型对NACA 23012翼型进行覆冰前后的气动性能仿真，该翼型的设计升力系数为0.3，最大弯度位置为翼型的0.15倍弦长处，中弧线为简单型，相对厚度为12%。分析该翼型在覆冰前后升力、阻力以及翼型附近其他参数的变化。现以攻角为40°为例，说明覆冰对叶片空气动力性能的影响。

本文所有仿真都是在表1所示基础上完成的。

表1 仿真分析条件

覆冰前后的网格图如图1所示

图1 覆冰前后翼型的网格图(上图覆冰前，下图覆冰后，下同)

对翼型外部绕流问题需要定义一个边界，边界离翼型越远则边界对流动的影响越小，计算越精确。本文中，边界离翼型的距离为10倍翼型弦长。对覆冰前后的翼型使用同样的方法进行划分，网格划分得足够密集以满足计算精度的要求。

(1) 覆冰前后翼型升力、阻力的变化。使用Gambit将网格划分好之后导入Fluent软件，选择κ-ε模型以及设定好其他相关参数。进行迭代计算，迭代收敛后可以得到翼型的升力报告和阻力报告。结果显示，在攻角为40°风速为10 m/s时，翼型覆冰前的升力为93.28 N，阻力为58.5 N；覆冰后，翼型的升力下降为44.26 N，阻力上升为63.19 N；升阻比由覆冰前的1.594下降为覆冰后的0.7。翼型的升力骤然下降、阻力加大，这说明覆冰已经使叶片进入了失速状态。

(2) 覆冰前后翼型表面压力分布。覆冰前后翼型上下表面的压力并没有明显的变化，翼型迎流方向上表面空气流速大，压强小，由于空气来流在翼型的前部已经发生分离，翼型上表面中部和尾部压力受来流影响已不大，因此导致翼型尾部上下表面的压力趋于一致(见图2)。

图2 覆冰前后翼型表面的压力分布图

(3) 覆冰前后翼型附近的压强云图。攻角为40°时，来流在翼型下表面前端形成高压区，同时下表面相对上表面都是高压区域，此时机翼附近的压强云图如图3中的上图。覆冰后，由于覆冰外形的影响，高压区出现在覆冰区域所在的翼型前端，翼型下表面的压强也明显小于该区域的压强。并且在翼型的上表面区域出现了涡流区，致使外部空气向内流动，空气动力性能发生恶化，增大了翼型的阻力，翼型产生失速现象。

(4) 覆冰前后翼型附近的速度云图。覆冰前翼型周围空气最大流动速度为17.5 m/s，同样由于覆冰形状的影响，附近空气局部最大速度达到了19.3 m/s，但这翼型微小区域的速度增大并没有改善翼型的气动性能。由于覆冰的存在，被覆冰挡住来流的覆冰后部区域的空气流动变得异常混乱，翼型上表面尾部空气流动速度有小范围减小(见图4)。

(5) 覆冰前后翼型附近的压强、气流速度变化。对比了覆冰前后翼型附近的压强、速度，其中的压强数值是相对于标准大气压强的数值，可以发现，覆冰后翼型周围空气的压强最大值有显著增大，压强最小值也有增大，空气最大流速也稍有变大。这都是由于覆冰造成的。尽管数值有所增大，但这些只是翼型附近的某个点的数值，并不反映整个翼型的受力状态。覆冰没有使翼型的气动性能变得更优，相反，覆冰使翼型周围的压强和速度场畸变更加厉害。

图3 覆冰前后翼型附近的压强云图

图4 覆冰前后翼型附近的速度云图

表2 覆冰前后翼型附近的压强、速度比较

3 结 语

本文使用κ-ε紊流模型研究了覆冰对风力发电机叶片气动性能的影响，发现在这种特定的覆冰外形以及40°的来流攻角下，翼型将发生失速事故。此时需要朝叶片迎风面积增大的方向调节桨距角以及时恢复风轮机正常运行所需的气动性能。在相同仿真条件下，对覆冰前后翼型附近的压强、空气速度也做出了比较，发现覆冰的存在是翼型周围的空气压强、速度场畸变得更严重。

由仿真结论可知，覆冰使翼型的气动性能发生恶化，在这种特定的条件下，如果不调节桨距角使叶片迎风面积增大，风轮机将发生失速事故。若气动性能已经足够恶化，调节桨距角也并不一定能让风轮机回复正常运行、发电机达到额定发电状态，此时风轮机将进行停机处理。值得注意的是，覆冰并不必然导致风轮机失速，具体是否失速需要对特定的覆冰形状及其对叶片的气动性能影响进行分析。

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Comparison of Flashover Performance of Typical Post Insulators under Pollution Conditions

ZHU Guisen， ZHENG Changchuan

(1. Wuhai Vocational and Technical College, Wuhai 016000, Inner Mogolia, China； 2. Haibowan Power Plant， Wuhai 016000, Inner Mogolia, China)

The ice will cause some harm to the wind turbine blades. In order to study the effect of icing on the aerodynamic performance of wind turbine blade, using theκ-εturbulence model, NACA 23012 airfoil was simulated and analyzed, the dynamic performances before and after the 40° angle of attack of the airfoil icing gas were emphatically analyzed. It was found that in the simulation of the airfoil under the condition of lift reduces and the resistance increases, the lift drag ratio decreases from 1.594 down to the 0.7. The pressure cloud near wing displays that on the airfoil surface there is a vortex area. It shows that the aerodynamic performance deteriorates, and the airfoil stalls. At the same time, the pressure and air velocity around the airfoil were compared, the simulation results show that the air pressure and velocity fields around the airfoil are more serious.

icing; wind turbine blade; aerodynamic characteristics

2016-11-25

朱贵森(1980-)，男，河北衡水人，硕士，讲师，主要从事电厂热能动力方面的研究。

Tel.：15048349006;E-mail：30210912@qq.com

TP 391

A

1006-7167(2017)08-0129-04