某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估

黄知龙，刘沛清，赵万里

（1.北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室，北京 100191；2.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，四川绵阳 621000）

某兆瓦级水平轴风力机叶片气动设计和性能评估

黄知龙1，2，刘沛清1，赵万里1

（1.北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室，北京 100191；2.中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，四川绵阳 621000）

0 引言

随着传统能源的短缺，世界各国先后提出了适合本国国情的新能源战略。风能作为一种相对廉价的清洁新能源得到各国的重视[1-4]。我国是一个风力资源丰富的国家，风力发电潜力巨大，自国家提出全国风电“十一五发展计划及2020年发展规划”后，全国的风电行业是一派欣欣向荣的景象，风力机的单台装机容量由初期的600kW发展到了现在的2.5MW，兆瓦量级的单台装机容量已成为大型风电场的主力。作者应某风能公司委托，开展了某1.5MW风力机叶片的设计和性能评估，本文就采用的设计方法和相关设计结果进行简要的阐述。

1 叶片气动外形和性能评估计算模型

风力机叶片设计主要采用的方法分为求解正问题和求解反问题2类，求解正问题是指首先根据某种规则设计出一个叶片，然后根据该叶片的气动性能、制造工艺和结构强度要求不断对叶片进行优化，最终使叶片的气动性能达到设计者满意的要求。反问题设计是指根据设计者期望的叶片气动参数，通过一系列假设和经验，通过计算得到叶片的外形参数[5-7]。

片条理论以轴向和周向干涉因子为变量进行外形设计，并可对设计的叶片进行气动性能的校核，包括风轮在非设计工况下的性能。片条理论是目前运用最广风力机软件的叶片设计方法和气动设计方法，并由此衍生了多种修正方法，修正后的计算结果与风力机的实际性能具有较好的一致性，本文就是采用该方法进行叶片的外形设计和性能评估，并引入叶尖损失和轮毂损失修正、叶栅理论对攻角的修正以及重载运行下的修正[8]。最优运行下的基本设计公式如下，各种修正及性能计算公式这里不再罗列：

2 风力机叶片气动外形设计

2.1 设计技术指标

风力机风轮直径77.4m，叶片数3片，额定轴功率1.67MW、额定风速11.0m/s、额定转速17.3r/min。

2.2 翼型参数

叶片沿径向所采用的翼形气动轮廓见图1(a)，翼型的相对厚度沿展向发生改变。翼形最大相对厚度由根部的约40%逐渐过渡到尖部的约10%，为获取最大风能利用系数，尽量选取各翼型剖面的最大升阻比下的攻角为设计攻角。各翼型剖面不同攻角下的气动力，在小攻角时采用XFOIL计算，大攻角则通过求解不可压雷诺平均的N-S方程获取[9]，为使方程封闭，引入两方程的SST K-ω湍流模型，某截面的气动力系数见图1(b)。

2.3 叶片气动外形设计结果

叶片气动外形设计是指确定叶片沿展向的弦长、扭角和厚度的分布。通过最优化设计确定叶片的弦长和扭角分布，见图2和图3，该图所示的叶片设计外形是高效的，但是由于叶片根部的弦长过大，会造成叶片大质量，导致叶片结构强度和运转等一系列的问题，因此在工程上必须给予修正。

上述的优化设计结果的叶片弦长和扭角都与半径近似成反比。然而，因为叶片靠近桨毂的里面部分对总功率输出贡献很小，实际上翼型截面通常在半径的15%内是不连续的，在此半径下的弦长减小，一般为理论最佳值的一半。

图1 翼形外形和气动力系数随攻角变化

图2 叶片弦长理想分布曲线

图3 叶片扭角理想分布曲线

叶片根部的横截面通常为圆形，与桨毂的圆形法兰盘相连接，进行桨距角的调节。叶片根部截面向外到外部翼型截面的过渡应该平滑，其结果是导致最大翼型截面相对厚度可高达50%。综合考虑叶片的加工，结构强度和气动性能，修正后的叶片沿展向的弦长和扭角分布如图4和图5所示。将弦长分布曲线分为两段进行多项式拟合，以径向相对半径x=0.5为分界点。弦长和扭角的具体拟合曲线多项式如下：

其中，x为相对径向位置；C1、C2叶片尖部和根部弦长曲线；β叶片扭角，(°)。

图4 叶片弦长修正后分布曲线

图5 叶片扭角修正后分布曲线

3 风力机稳态气动性能计算

气动性能计算是风力机设计和校核中的重要环节。设计出桨叶的气动外形之后,进行气动性能校核，可以作为对设计结果的评价;反之气动性能计算结果可以作为反馈,为修正桨叶气动外形提供数据，因此气动性能计算结果的准确度直接影响风力机桨叶外形优化设计的优劣；风力机桨叶强度、刚度以及稳定性的校核需要气动性能的计算结果作为其原始输入参数，准确的气动性能计算能够使校核结果更可信。

3.1 气动基本信息计算

风力机叶片的性能计算首先进行的是基本气动信息的计算。是在设计状态 （V=11m/s，N=17.3RPM）下的基本气动信息的计算。相关的参数包括：气流的轴向诱导因子，切向诱导因子，叶尖和桨毂损失系数，入流角，叶片攻角，叶片轴向力、叶片法向力。见图6～11。可以看出经过修正后的叶片的轴向和切向诱导因子的值在主要出功区仍然处于最优值附近。叶片的法向力产生扭矩，沿展向变化曲线可知叶片主要的出功区在半径7～36m区间。因此，对叶片根部进行适当的修正不会对风轮叶片性能产生大的影响。

图6 轴向诱导因子计算值与设计值的对比曲线

图7 切向诱导因子计算值与设计值的对比曲线

图8 叶片入流角计算值与设计值的对比曲线

3.2 性能系数计算

风力机的叶片性能计算是指在不同尖速比λ0（包括了设计状态和非设计状态）下，计算风轮总体气动性能，对设计的风轮气动总体性能进行评估。主要的计算参数包括：风能利用系数Cp，扭矩系数CM和推力系数CT，它是对风轮气动性能进行评价最基本的参数。具体结果见图12。

图9 叶片的轴向力沿展向变化曲线

图10 叶片的攻角沿展向变化曲线

图11 叶片的法向力沿展向变化曲线

图12 风能利用系数Cp随λ0变化曲线

风能的利用系数Cp曲线图可以看出，随着尖速比λ0的增大Cp逐渐增大，当λ0约等于6.4时，Cp达到最大值0.478，后随着尖速比λ0的值进一步增大，风能利用系数Cp的值又会逐渐减小。可以看出Cpmax下的尖速比λ0取值正好等于设计点下的尖速比λ0，该结果与前述的最佳设计理论相吻合。

同时，为了搜索最佳运行桨距角，对比了不同桨距角下的风轮利用系数Cp。叶片变桨距角Δβ取值分别为：-4°、-2°、0°、2°、4°，结果见图13，结果表明Δβ=0°和Δβ=2°时，风能利用系数分布相对较佳，不同的是Δβ=0°时Cp最大值对应的尖速比小于Δβ=2°时的相应值。变桨距角Δβ的选取可根据风场和风轮的实际运作条件进行调整。

图13 不同桨距角下的风能利用系数

3.3 稳态功率输出计算

该稳态功率的输出计算以风轮额定转速17.3r/min，轴输出功率1.67MW为目标，通过控制风轮转速和桨距角来实现风力机的最佳运行。风轮的控制方式为：变速变桨距。该控制方式在输出轴功率未达到额定功率下，叶片桨距角保持不变。

轴功率随来流速度的变化曲线计算结果见图14。同时相应的其他参数见图15～17。包括：桨距角的变化规律、转速的变化规律,及风能利用系数随风速的变化规律。

图14 轴功率随来流风速的变化曲线

图15 桨距角随来流风速的变化曲线

图16 转速随来流风速的变化曲线

图17 风能利用系数随来流风速的变化曲线

计算结果表明：风轮在风速大于等于切入风速时开始运转，当风轮的输出轴功率小于额定轴功率时，风轮转速随风速线性增大，桨距角不变，风轮保持运行于最大风能利用系数附近，风轮扭矩和轴向推力增大，轴输出功率以来流风速的三次方关系递增。来流风速约10.5m/s时，达到额定功率（1.67MW）后，风速进一步增大时，保持风轮转速恒定，通过调节桨距角保持输出轴功率的恒定。由于叶片的迎风面积迅速减小，导致推力值迅速降低。由于桨距角和尖速比的变化，叶片偏离最佳工作状态，风能利用系数也随风速的增大不断降低。

4 小结

利用修正的片条理论完成了某1.5MW风力机的设计和性能评估，结果表明，来流风速10.5m/s时，风轮转速17.3RPM，风力机的输出轴功率达到额定功率（1.67MW）,风能利用系数Cpmax约0.48，功率输出特性曲线平滑。且该风力机低速特性较好，具有较高的风能利用系数。综上所述，该风力机叶片性能满足设计要求，达到了预期的设计目的。

[1]喻新强.西北电力系统如何应对大规模风电开发与利用[J].电网与清洁能源，2009,25(8):1-6.

[2]黄栋，李怀霞，张振.风电产业全球态势与政府政策[J].电网与清洁能源，2009,25(02):46-49.

[3]吴贵辉.大力发展清洁能源推进电力可持续发展[J].电网与清洁能源，2008，24（9）:1-2.

[4]陈峰.建设坚强送端电网推动清洁能源发展[J].电网与清洁能源，2008，24（10）:5-8.

[5]陈培，杜绵银，刘杰平.风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析[J].电网与清洁能源，2009,25(02):36-40.

[6]李常，王亚男，梁武科，等.基于两种湍流模型的某风机专用翼型数值研究[J].电网与清洁能源，2009，25(9)：41-44.

[7]王伟峰，廖伟丽，朱国俊，等.基于逆向工程的风力机叶片实体建模研究[J].电网与清洁能源，2008，24（10）：40-43.

[8]刘雄，陈严，叶枝全.水平轴风力机气动性能计算模型[J].太阳能学报，2005,12（6）：28-32.

[9]袁新，江学忠.翼型大攻角低速分离流动的数值模拟[J].工程热物理学报，1999，20(2):161-165.

Aerodynamic Outline Designing and Aerodynamic Performance Evaluation for 1.5MW Horizontal Axis Wind Turbine

HUANG Zhi-long1,2，LIU Pei-qing1，ZHAO Wan-li1
（1.School of Aeronautic Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191，China;2.The Facility Designing and Instrumentation Institute of The China Aerodynamic Research and Development Center，Mianyang 621000,Sichuan Province,China）

In this paper, the aerodynamic parameters and performance calculation model of a 1.5 MW horizontal axis wind turbine are set up based on the strip theory with necessary consideration to the necessaryamendmentstothe theorydue tothe tip loss, the hub loss, cascade effects and the heavyload exerted. On the basis of the aforesaid work, the aerodynamic outline of the turbine blade is designed and its performance is evaluated. The result of the evaluation shows the performance meets the design requirements with a better availability coefficient and better operation features.

wind turbine；blade；strip theory；aerodynamic design；performance evaluation

基于片条理论，建立了水平轴风力机的气动参数和性能计算模型，并考虑了叶尖损失、叶根损失、叶栅影响和重载荷下对片条理论参数的修正。以此为基础设计完成了某1.5MW水平轴风力机叶片的气动外形，并对其气动性能进行了评估，结果表明该风力机叶片气动性能达到设计要求，具有较佳的风能利用系数和运转特性。

风力机；叶片；片条理论；气动设计；性能评估

973计划（2009CB72400101）；横向课题：ZN310Z型1MW风轮叶片气动外形和结构设计研究（BUAA20090193）。

1674-3814（2010）01-0068-05

TK83

A

2009-10-13。

黄知龙(1976—)，男，硕士研究生，副研究员，主要研究方向为气动力设备的设计与试验研究，专注于大型轴流风扇系统和风力机叶片的气动设计。

（编辑 徐花荣）