涡流发生器在风力机叶片上的应用与验证

李杰， 钟贤和， 李松林， 黄树根

（东方电气风电有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 前言

涡流发生器 （vortex generator， 简称 VG）是以某一攻角垂直布置在风力机叶片表面的小展弦比翼型， 因翼型两侧压力差产生翼尖涡， 促进边界层外高动能流体与边界层内低动能流体的掺混，增加边界层内流体的动量和能量， 降低边界层的厚度， 抑制展向流动， 达到流动控制的目的， 从而使湍流边界层的分离推迟或消除， 最终达到使翼型增升减阻的效果。 国内外已有部分学者对VG 展开研究， 刘刚等通过数值模拟的方法， 探究了涡流发生器的形状、 排列方式和几何尺寸对翼型流动分离的影响， 进而得出了对超临界机翼气动性能的影响规律； Nickerson 等通过风洞实验的方法， 研究了大型风力机叶片加装VG 后升阻力特性的变化， 验证了 Vs 提高升阻比的目的；Johansen 等通过数值模拟的方法， 在对称边界及周期性边界条件下分析了加装VG 的风轮叶片的性能变化； 张磊等对安装VG 的翼型段进行了数值模拟， 得到了与实验值较吻合的结果， 进一步验证在较大攻角下， VG 能够抑制边界层的分离。

上述学者对VG 的研究大都基于数值模拟或风洞试验的方法， 并未在真实风机叶片上安装VG进行验证。 基于此， 本文采用CFD 方法， 针对某叶片展开VG 设计， 分析其对叶片截面升阻力系数影响， 并将VG 安装于真实叶片上并在风场开展测试， 通过理论数据与试验数据的对比， 已验证VG 的实际效果， 为VG 的设计和工程应用提供理论支撑。

1 CFD 分析方法

论文针对某4 MW-70 m 级叶片开展VG 仿真分析与设计， 图1 为该叶片叶根处相对厚度为40%、 50%、 60%、 70%的翼型段。 VG 模型如图 2所示， 并用部分特征参数进行表征。

图1 40%、 50%、 60%、 70%厚度的翼型段

图2 涡流发生器示意图

本文采用C-H 网格方法， 计算域60 倍弦长。计算模型的出口条件为远端压力场， 通常为标准大气压； 前端边界条件设置为速度进口条件； 远场边界条件， 设为压力出口， 大小为一个标准大气压； 壁面条件， 将翼型做壁面处理， 通过计算翼型上下表面的受力分布来计算升阻力大小以及旋转力矩。 处理后的CFD 模型如图3 所示。

图3 翼型数值模拟C-H 网格示意图

2 计算结果与分析

论文分别计算了叶根翼型在有无VG 下的气动特性， 结果如图 4-5 所示。 其中“sm”表示光滑翼型， “vg-25”表示 vg 安装在弦向 25%位置， “h=20”表示涡流发生器高度为20 mm。

图4 40%翼型有无VG 气动性能对比

从图4 可以看出， 40%厚度的翼型， 安装涡流发生器后， 升力系数增大， 阻力系数先增加后减小， 升阻比先减小后增大， 在运行攻角下降低。从图5 可以看出， 50%厚度的翼型， 在弦向合理位置安装涡流发生器后， 升力系数增大， 阻力系数减小， 升阻比在运行攻角下升高。 60%和70%厚度的翼型也存在于50%翼型相同的规律。 综上所述， 翼型相对厚度越小， 安装20 mm 高度的涡流发生器导致升阻比降低。

图5 50%翼型有无VG 气动性能对比

为了说明涡流发生器对翼型气动数据的影响，以60%翼型为例， 分析流场特性， 详见图6-7。从图6 的流线图可以看出， 60%翼型在16°攻角下翼型尾缘30%范围内出现了流动分离安装VG 后分离区面积减小。 从图7 的流线图可以看出， 该翼型在28°时分离区进一步扩大， 流动分离现象更加明显， 翼型尾缘50%以上出现了流动分离， 而在安装VG 后分离区面积明显减小。 这说明， 对较大分离的情况下， 涡流发生器抑制分离的效果更明显， 涡流发生器使分离位置延后。

图6 a=16°流场

图7 a=28°流场

3 试验验证

根据CFD 计算结果， 选取性能最好的安装位置， 某 4 MW-70 m 级叶片VG 布置位置见表 1，其中相对厚度70%、 60%和50%的位置安装两排VG， 45%厚度位置安装一排VG， VG 生产完成后在叶片生产工厂进行安装， 安装VG 的叶片如图8所示。

表1 VG 在叶片上定位

图8 安装VG 的风电叶片

功率曲线是评定风力发电机组性能的重要指标之一， 功率特性测量作为评定风力发电机组性能和推算机组年发电量的主要技术手段。 根据IEC6 1400-12-1 中关于风力发电机组功率特性测量方法的相关规定， 风力发电机组功率特性测量的主要工作包括测试场地的选取与评定、 测试传感器的选取、 测风塔的建立、 测试设备安装与数据采集以及测试数据的后处理等内容。

在风力发电机组功率特性测量过程中， 主要使用两类传感器： 一是电参数测量设备； 二是气象参数测量设备。 主要设备清单见表2， 功率测试系统如图9 所示。

表2 测试系统主要设备清单

图9 功率测试系统组成

运用已搭建的功率测试系统， 在某试验基地对带有VG 的风力机进行功率测试， 并将风资源数据作为输入条件， 进行仿真分析。 测试与仿真对比如图10 所示， 详细数据见表3。 通过对比可知， 理论仿真与实测结果吻合程度较好， 尽管6 m/s、 8 m/s 和 9 m/s 时， 测试值超过仿真值 1%，但从整个风速变化条件考虑， 仿真与测试平均偏差为0.4%左右， 验证了仿真分析方法是正确的。

图10 安装VG 的风电叶片仿值结果

表3 带VG 风力机测试功率与仿真对比

在相同的输入条件下， 对不带VG 的叶片进行CFD 仿真分析， 由于该机组功率等级为4 MW，当机组功率快达到4 MW 时， 机组要执行变桨限功率， 因此只对比变桨前的计算结果， 见表4， 通过对比发现， 叶片安装VG 后， 发电功率均有提升， 在风速为 6 m/s 时， 提升量最大， 达 2.2%。

表4 动态功率对比表

4 结论

（1）采用CFD 软件对叶片叶根翼型有VG 的情况进行数值计算， 结果表明： VG 对翼型具有增大失速裕度， 提高翼型失速后的升阻比的作用。

（2）叶根区域翼型相对厚度较大， 气动分离明显， 加装VG 能有效的抑制气动分离。

（3）叶片加装涡流发生器后， 风场实测数据与理论仿真数据吻合， 验证仿真方法正确。

（4）再次对相同条件下对不带VG 叶片进行仿真分析， 其结果表明， 在全风速条件下， 带VG的叶片将有助于提高风电机组的发电功率， 特别时在6 m/s 时， 效果最好， 提升功率达2.2%。