叶尖小翼对风力机叶片气动特性影响研究

王亚娥,葛文澎,苗得胜,吴 迪

（明阳智慧能源集团股份公司，广东 中山 528400）

0 引言

作为风力发电机组的重要组成部分，叶片气动特性的优劣直接决定了风电机组发电能力的高低。因此，如何提升叶片的气动特性成为研究的重点。当空气流经风轮叶尖时会产生叶尖涡，叶尖涡的出现会导致机组的输出功率减小，疲劳载荷增大。现有研究表明，在叶片叶尖段加装小翼，可以改善叶尖流场分布，降低叶尖处的诱导阻力，减少叶尖能量损失，进而提高机组的发电效率[1]。蔡新[2]研究了叶尖小翼倾斜角对叶片气动性能的影响，发现大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流，降低叶尖能量损耗。陈恺[3]建立了NREL 5 MW风力机叶尖小翼的参数化模型，开展了参数敏感性分析，并基于CFD方法对比分析了小翼对叶片表面流态、压力分布等特性的影响，揭示了小翼增功的气动机理。胡丹梅[4]探究了平板小翼和融合小翼对风力机气动特性和流场分布的影响，发现在叶尖增加小翼可提高风力机总功率，与平板小翼相比，融合小翼的叶片表面压差更大，具有更好的气动特性。张浩[5]以NREL5MW风力机为研究对象，在叶尖安装L小翼，降低了叶尖绕流的下洗速度，改变了叶尖环量的分布，降低了叶尖涡强度，抑制了叶尖气流与叶片过早分离，增大了叶尖上、下表面压差，增加了风力机输出功率，提高了风能利用效率。陶维翔[6]对后掠L型叶尖小翼进行了研究，发现风力机加装后掠L型小翼后，其轴向推力增加了0.46%～0.81%，增幅较小，而发电效率增幅明显，提升了3.4%～4.2%。张庆峰[7]采用数值模拟方法分析了小翼几何参数的最佳变化范围，为小翼的设计提供了方法依据。Ali A[8]研究了不同叶尖小翼对水平轴风力机升阻比的影响，结果表明，在迎风叶片下，加装小翼能够提升26%的升阻比。

已有的针对叶尖小翼的研究均较为理想，小翼朝向吸力面的设计居多，而实际工程应用要考虑叶片净空问题，防止叶片出现大幅振动时与塔筒发生碰撞。此外，叶尖小翼的扭角大小关系到叶尖气流分离边界位置点，从而对叶片压力产生影响，这一方面研究较少。本文以某1.5MW风力发电机组为研究对象，对4～10m/s风速下5种加小翼叶片和直叶片风轮流场进行仿真计算。通过对比加小翼前后风力机叶尖流场分布及气动特性的变化，研究小翼扭角对风力机气动特性的影响，并充分考虑叶片净空、叶尖整形和扭角大小等问题。

1 计算模型

1.1 计算模型及参数

本文以某1.5MW水平轴风力机为研究对象，计算域如图1所示。计算域由旋转域和静止域两部分组成。旋转域为图中叶片所在区域，其他区域均为静止域。静止域为圆柱体，以轮毂中心为原点，静止域长为2D+10D，柱面直径为4D，其中D为风轮直径。机舱和塔筒位于风轮下风向，故未考虑其影响。风力机相关参数如表1所示。

图1 计算域Fig.1 Computational domain

表1 1.5MW风力机基本参数Table 1 Basic parameters of 1.5MW wind turbine

叶尖小翼的设计参数主要有小翼高度、掠角、斜面角、弯曲半径、前束角和扭角，各参数的定义如图2所示。关于小翼扭角[9]的正负值，定义翼型前缘侧向来流方向时为正。

图2 叶尖小翼设计参数Fig.2 Design parameters of tip winglet

本文中5种叶尖小翼的弯曲半径均为0.2m，高度均为0.8m，小翼朝向均指向叶片压力面一侧，各小翼仅扭角不同。为了便于后续数据分析，对小翼进行编号（表2），其中A0表示直叶片。直叶片叶尖段与加小翼叶尖段的几何结构如图3所示。

表2 叶尖小翼编号定义Table 2 Number definition of tip winglet

图3 直叶片与加小翼叶片叶尖段Fig.3 Tip section of straightblade and wingletblade

1.2 模型验证

本文采用STAR_CCM+软件对计算域进行非结构化网格划分。对叶片附近进行局部网格加密，叶片表面首层网格y+值约为1，边界层网格增长率为1.2，核心区网格增长率为1.2。计算湍流模型为SST k-w。通过对比风速为6m/s时不同网格量的计算结果，发现当网格总数大于2 090万时，其数量的增长对于计算结果的影响越来越小（表3）。因此，认为网格总数为2 090万时，达到计算精度要求，此时，旋转域网格数为2 002万，静止域网格数为88万。

表3 网格无关性验证Table 3 Validation of grid independence

图4所示为不同风速时，功率推力仿真数据与实际数据对比图。由于该机组采用变桨控制法，当风速达到额定风速时，叶片存在桨距角，本文暂不考虑叶片变桨工况，因此仅对4～10m/s风速段的功率及推力进行验证。

图4 仿真值与Bladed实际计算值对比Fig.4 Comparison of simulation value and blade calculated value

由图4可知，在给定风速段内，功率及推力仿真模拟值与Bladed实际计算值基本吻合，最大误差不超过6%，表明可使用该模型进行后续计算。

1.3 计算条件设置

计算域进口为均匀流速度进口，风速取4～10m/s，间隔为1m/s。出口为压力出口，压力值为一个标准大气压。计算域侧面采用对称边界条件。静止域与旋转域之间采用多重参考坐标系模型（MRF）进行耦合，通过内部交界面进行数据传递。

采用STAR_CCM+软件进行仿真计算，分别计算4～10m/s风速下，直叶片与5种不同扭角小翼叶片的流场分布及其对机组性能的影响。

2 计算结果及分析

2.1 加小翼前后叶尖流场分析

图5为风速为6m/s时，加小翼前后叶尖段速度矢量分布图。

图5 加小翼前后叶尖速度矢量分布Fig.5 Velocity distribution of tip before and after addingwinglets

对于直叶片，气流流经叶片叶尖附近时，受到叶片的阻碍，于是向叶尖方向流动，并在叶尖附近产生扰流现象，该现象导致叶尖压力面压力减小，吸力面压力增大，从而减小叶尖附近压力面和吸力面之间的压差，降低叶片的输出力矩。在叶尖段加小翼后，气流流经叶尖时受到小翼的阻碍，速度减小，同时小翼对叶尖气流具有一定的导流作用，有效地减弱了叶尖流动分离现象，增大了叶尖段压差，进而增大叶片输出力矩，提升了机组输出功率。

2.2 加小翼前后叶尖段气动特性分析

小翼对叶片气动特性的影响主要体现在叶尖附近。因此，分别截取叶尖段r为38（r/R=94.3%），39m（r/R=96.8%）和39.5m（r/R=98%）位置处的平面，并提取其表面压力分布进行分析，其中，r和R分别为翼型截面到叶根的距离和直叶片长度。图6为风速为6m/s时，A0～A5叶片各截面压力分布对比图，图中横坐标为截面翼型单位弦长c。

图6 叶尖段截面压力分布对比Fig.6 Comparison of pressure distribution in blade tip section

叶尖小翼主要影响截面吸力面压力。图6（a）中，与A0直叶片相比，加小翼后，叶片截面压力面压力略微增大，但截面吸力面靠近前缘处压力明显增大，增大约12%，但该位置处小翼扭角的影响很小。

本文中小翼安装位置为r/R=96.8%处，因此在图6（b）中，与直叶片相比，叶片截面压力明显增大，吸力面靠近前缘处增大15%～25%，压力面平均增大10%左右。此时，采用不同小翼，截面压力分布基本相同，小翼扭角对截面压力的影响依旧不明显。

由图6（c）可知，在截面前缘处，小翼为负扭角时，压差值大于小翼正扭角时的压差值。这可能是由于负扭角时叶片截面翼型的气动攻角增大，升力系数增大，进而导致叶片输出功率增大。

图7为不同风速下，加小翼叶片与原叶片叶尖段（r/R=96.8%～100%）力矩与推力增长率的变化曲线。由图7可知：当风速为4～10m/s时，叶尖小翼可使叶尖段力矩增大40%～90%，推力增大45%～65%，此外二者的增长率均随着来流风速的增大而减小，并逐渐趋于稳定；对于叶尖段力矩提升效果而言，A3小翼叶片最好，A5小翼叶片最差，即随着扭角的增大，小翼对叶尖段力矩提升的效果逐渐变差。这表明，当小翼其它参数相同时，负扭角更有利于提升叶尖段力矩值。这是因为当来流风速相同时，即入流角一定时，根据翼型扭角、攻角和入流角之间的关系，可知扭角越小其攻角越大，当攻角小于失速攻角时，数值越大，对应的翼型升力系数越大，因此叶片的输出力矩越大。

图7 r/R为96.8%～100%时，力矩及推力增长率Fig.7 Growth rate of torque and thrust at r/R=96.8%～100%

2.3 加小翼对风力机性能影响

风力机叶片的输出力矩决定了风力机的发电功率。叶尖加装小翼后，叶片叶尖力矩发生改变。根据叶素理论，长度为d r的力矩M为

式中：B为叶片数；ρ为空气密度，kg/m3；V0为来流风速，m/s；Ct为切向力系数。

式中：Cl，Cd分别为翼型升、阻力系数；φ为入流角。

推力T为

式中：Cn为法向力系数。

图8所示为不同风速下，各小翼叶片40.3m以上部分，即小翼弯曲段的力矩值和推力值。

图8 各小翼弯曲段力矩和推力值Fig.8 Torque and Thrust values of flexural section of each winglet

由图8（a）可知，随着风速的增大，各小翼弯曲段的M均逐渐增大，A4小翼的M最大，A3小翼的M最小。这是因为对于小翼弯曲段，A4小翼截面翼型的攻角刚好接近失速攻角，其升力系数最大，因此A4小翼的M最大。A4小翼扭角为3°，当入流角相同时，扭角越小，其攻角越大，因此当小翼扭角小于3°时，其攻角已大于失速攻角，所以A1，A2，A3小翼的M依次减小。相同风速下，A1和A5小翼的M差较小，数值基本相同，这可能是由于其截面翼型攻角分别位于失速攻角两侧，并且二者的升力系数基本相同。此外，当风速小于5m/s时，A3小翼弯曲段的力矩出现负值，这是因为风速较小时，翼型入流角较小，当其处于失速状态时，升力系数较小，因此可能出现切向力系数为负值的情况，进而导致力矩出现负值。由图8（b）可知，各小翼弯曲段的T均随着风速的增大而逐渐增大，同一风速下，A3小翼的T最大，A5小翼的T最小。当入流角一定时，根据翼型扭角、攻角和入流角之间的关系，扭角越小其攻角越大，表明小翼弯曲段的T与翼型攻角成正比。

图9所示为不同风速下，与直叶片相比，各加小翼叶片对机组性能提升的影响。

图9 加小翼对风力机功率及推力的影响Fig.9 Influence ofwingleton power and thrustofwind turbines

由图9可知，当风速为4～10m/s时，加装小翼后风力机功率提升了2.2%～3%，推力增大了2%～3.6%，并且二者均呈现出随风速的增大而逐渐减小的趋势。当风速为4m/s时，加装A3小翼的风力机功率增长率较小，这是因为A3小翼弯曲段的M为负值，进而导致总M减小。对于机组总体性能提升而言，A2小翼效果最优，A5小翼效果最差；小翼负扭角优于正扭角，小扭角优于大扭角。出现上述结果与入流角以及叶片截面翼型攻角的综合影响有关，这也表明叶尖小翼的扭角设计存在一个合适的范围，并不是扭角越大越好。

总体上，小翼扭角对风力机功率和推力的影响较小。同一风速下，对于给定小翼（扭角为-6～6°），风力机功率增长率最大差值小于0.7%，推力增长率差值小于1%。

3 结论

本文基于实际风场叶片改造项目，通过对风速为4～10m/s时，某1.5MW风力机直叶片和5种加装小翼叶片的流场进行数值模拟计算，得到以下结论。

①叶尖小翼减弱了叶尖附近的流动分离现象，增大了叶片叶尖压力面与吸力面之间的压力差，可提升风轮输出功率。

②叶尖小翼对叶片0.94R（R≥38m）以上的叶尖段气动特性的影响较大，该范围内的叶片截面前缘吸力面侧压力增大12%～25%。

③当风速为4～10m/s时，与直叶片相比，加装小翼后，风力机功率提升了2.2%～3%，推力增大了2%～3.6%，并且随着风速的增大，功率和推力增长率均逐渐减小。

④小翼负扭角对风力机性能提升效果优于正扭角，小扭角优于大扭角。总体上，小翼扭角对机组性能的影响相对较小。相同风速下，功率增长率最大差值小于0.7%，推力增长率差值小于1%。