风力发电机叶片三维模型重构及气动特性分析

赵尚红，尹喜云，戴巨川

（湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

风电作为新能源，因其自身的清洁环保性和可持续性而有着广阔的发展前景和提升空间。叶片是整个风力发电装置中的关键部件之一，它的几何形状直接影响着风力发电机的效率、可靠性、噪声的大小，以及风力发电机的使用寿命。在风力发电机叶片的设计过程中，为了满足各项气动性能的要求，叶片的表面通常设计成复杂的扭曲面，整个设计过程非常复杂。风力发电机叶片形状是影响其气动特性的关键因素，为了引进和吸收先进的风力发电机叶片设计技术，采用反求技术对其三维几何模型进行反求重构。在流体分析软件Fluent 中对其攻角和风速之间的流场情况做了仿真分析，得出了不同攻角下的流场情况，对相关的气动参数进行了分析。

1 叶片表面的三维测量

以某公司的2kW 风力发电机叶片为研究对象，采用Brown&Sharpc 公司生产的Brown&Sharpc GLOBAL 三坐标测量机（CMM）对该风力发电机叶片进行三维曲面测量，测头半径为1mm，测量精度为1μm，测量软件为PC-DMIS。应用三坐标测量机对风力发电机叶片表面进行三维测量之前，必须对测量路径进行规划，其主要目的是：1）使测头以尽可能短的测量路径安全、高效地测量待测曲面；2）测量过程中测量机的测头从上一个测量点移至下一个测量点时不与被测物体发生干涉，并且测量路径应覆盖整个被测曲面［1］。测量路径的规划将直接影响测量效率和三维几何模型重构的精度。

为了便于测量和提高测量的准确性，使叶片的翼型截面垂直于y 轴放置，沿风力发电机叶片径向选取120 条截面线，各截面之间的距离Sn按叶片曲面形状设定（5mm≤Sn≤25mm），对风力发电机叶片的吸力面和压力面分段测量，如图1 所示。得到相应的测量数据，格式为.PRG 类型，然后保存为.txt 格式数据以便于处理。

测量得到的数据为测量机原始数据，原始数据含有测量过程中软件生成的代码和指令，为了得到x、y、z 各轴向的空间位置数据，把.txt 格式数据存入Excel 中，进行处理并提取出测量点的空间位置数据。截面曲线测量时，测头沿x、z 向移动，在y 向为定值，故测量数据导入到MATLAB中以点坐标的y 值为判断条件对数据进行翼型截面的区分：设定判断值△y=1mm，若yi+1-yi＜△y，则认为这两点在同一截面线内；若yi+1-yi≥△y，则认为这两点不在同一截面线内，由此分出120 组曲线点，然后保存为.ibl 格式数据。

图1 叶片测量

图2 测量时的空间坐标

2 实体建模

2.1 Pro/E 中建立翼型截面曲线

在软件中执行命令：新建→曲线→自文件→完成。然后选择.ibl 格式数据类型导入，得到原始的截面曲线。

由于测量中存在的各种因素影响，导致所得到的数据会有一定的误差，同一个截面上测量得到的数据会有微小的浮动，通过已测截面曲线上的一点创建垂直于y 轴的参考面，共创建120 组参考面。原始数据投影到参考面上得到新的曲线，然后对新的曲线各向内偏移1mm 以补偿测头半径造成的测量误差（Pro/E 中曲线偏移沿着点在曲线中的法向偏移）。最后连接成新的封闭的翼型截面曲线。

2.2 实体创建

测量出各个截面之间的距离并记录，然后通过：插入→混合→伸出项（平行、规则截面、草绘截面）→完成→光滑→完成→选取初始截面→正向→缺省→使用命令［2］。

再依次选取每个截面的曲线，之后输入截面之间的距离，就可得到光滑的叶片实体模型，而不会出现表面扭曲现象，如图3 所示。

图3 叶片三维实体模型

3 CFD 仿真计算分析

3.1 网格划分

风轮半径为1.5m，轮毂半径为0.1m，叶片有效长度为1.4m，选取位于叶片展长66.7%处距叶根1m 的翼型截面作为分析对象。在Pro/E中另存为.stp 格式文件，在弹出的输入面板中勾选线框边、基准线和点两个选项。在Gambit 里采用四边形非结构化网格划分，其中网格局部放大如图4。

图4 翼型网格局部放大图

3.2 气动特性分析

表1 相关气动参数

将网格导入流体分析软件Fluent 中，模拟风洞实验对其进行相关条件的设定：设定速度入口，大小为10 m/s；选择压力出口；理想流体无黏模型（Inviscid）；理想无黏不可压缩气体（100m/s 以下）密度为1.225 kg/m3；压力速度耦合：SIMPLE Standard Second Order Upwind；不考虑重力影响［3］。通过改变攻角α 值设计6 组仿真实验，得到不同攻角情况下翼型的相关气动特性参数如表1。

流场入口设定风速为10m/s 时，翼型的相关气动参数随攻角的变化关系如图5、图6 所示。

由图5～6 和表1 中数据表明，升力系数会在某一确定攻角时最大，阻力系数会随着攻角的增大而有增大的趋势，叶片设计时一般不选取最大升力或者最大升力系数时的攻角，而是选取升阻比最大时的攻角作为最佳设计攻角，由仿真数据得出本文所选翼型最佳攻角在5°左右。

流场入口风速为10m/s 时，其中两组攻角下的压力云图对比如图7 所示。

翼型设计中通常上缘比下缘要长，当空气的流速小于0.3 马赫时可以认为空气是不可压缩的理想流体，由流体流动的连续性原理（质量守恒定律）和伯努利原理知道，流经质量不变，流线越长，流速越大，压强越小。对翼型而言，空气流经上缘时流速较流经下缘时快，对上缘产生的压力较小而形成吸力面，对下缘产生压力较大而形成压力面，上下面的压力差就形成了翼型的升力。

图5 升、阻力系数与攻角的关系

图6 升阻比与攻角的关系

图7 不同攻角时的压力云图

由仿真压力云图可以明显看出，翼型压力面的压力中心主要在翼型的下缘靠近前端，而吸力面的负压中心在翼型上缘也靠近前端，两中心位置上下并未对齐。图7（b）中形成了两个负压中心，是由于攻角过大，使得风流经翼型上缘时发生剥离，形成漩涡所致，由速度云图和速速矢量图可以清楚地看到。

流场入口风速为10 m/s 时，其中两组攻角下的速度云图如图8 所示。由速度云图8 中可以看出攻角不同，流场也在变化，攻角在小范围变化时，流场虽然变化，但仍处于稳定，当攻角变化到一定程度时，空气流体出现紊流现象，甚至在翼型尾部出现涡流如图8（b）所示。这也是压力云图中出现负压的原因。

图8 不同攻角下的速度云图

流场入口风速为10 m/s 时，其中两组攻角下的速度矢量图如图9 所示。这两组速度矢量图更清晰地表示了流场的流动情况，由图9（a）和图9（b）可以清楚地看到不同的攻角下，流质流经翼型的情况。图9（a）图中出现了剥离现象，图9（b）图中不但出现了剥离现象，而且在翼型末端出现严重的涡流，这些情况对实际应用产生严重的不良影响。应减轻或者消除这些情况的发生，进而提高叶片的气动性能，所以叶片气动外形的设计要求每个翼型面在额定风速下具有合理的攻角。

图9 速度矢量图

4 结论

为获得风力发电机叶片的三维几何模型，采用三坐标测量机对叶片表面进行测量，获取了叶片表面的三维点云数据。利用MATLAB 软件对获取的点云数据进行分组处理及点云数据精简。通过Pre/E 软件进行曲线拟合及实体造型，重构出了风力发电机叶片的三维几何模型，并对叶片设计中的攻角参数进行了二维翼型仿真分析，得到了该叶片翼型相关的气动特性参数，研究了攻角与升力系数、阻力系数以及升阻比之间的关系，得到了不同攻角下流场的压力和速度的分布及变化情况，并对结果进行了相关分析，为三维整机仿真分析提供参考。对产品进行三维测量，基于测量数据进行实体建模，然后再进行仿真分析，不仅可以对产品进行性能的验证，在此基础上还可以对产品进行优化设计，具有一定的工业实际意义。

［1］金永平，刘德顺，等.矿用轴流通风机叶片三维几何模型反求重构［J］.现代制造工程，2011（11）：24-27.

［2］崔彦彬，姚志岗.基于Pro/E、Fluent 软件的风机叶片造型及分析［J］.矿山机械，2009，30（2）：191-193.

［3］韩占忠.FLUENT-流体工程仿真计算实例与分析［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.