风力机叶片叶根优化方法研究

李杰，尹景勋，钟贤和

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

风力机叶片叶根优化方法研究

李杰，尹景勋，钟贤和

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

利用CFD商用软件对叶根优化前后的两支叶片进行数值模拟，通过对比分析发现，叶根优化后，叶片的气动性能明显增加。考虑到叶片与轮毂、机舱、塔架的相互关系，将叶根进行适当的调整，最终使发电量增加1.5%。为机组的优化设计以及后期叶片改造提供依据。

风力机，叶片，叶根优化，数值研究

0 引言

随着风力发电技术的日益成熟和广泛应用，大功率兆瓦级风力机已成为企业的主流产品，其空气动力学和结构特性优化设计也成为了国内外很多学者的研究重点[1]。而风轮作为风力机的主要组成部分，其成本占到整个风力机组的20%左右，同时风轮也是风力机捕获风能的关键部件[2]。对于叶片的优化设计研究，国内外有很多学者从不同方面进行了研究。

本文以风力机空气动力学理论为基础，通过对原始叶片的形状参数进行优化设计，采用CFD商用软件对叶根优化前后的两支叶片进行数值模拟，对比其气动特性，分析模拟结果的流动细节，并详细比较了叶根改造前后叶片的流场变化趋势，分析叶根弦长增大后叶片性能增加情况。考虑到叶片与轮毂、机舱、塔架的相互关系，将叶根进行适当的调整，最终使发电量增加1.5%。为机组的优化设计以及后期叶片改造提供理论依据。

1 模型介绍

图1 DF77D叶片

为改善DF77D叶片的性能，现对DF77D进行理论研究。由于叶片几何参数直接影响叶片的性能，其中弦长对叶片性能影响较大，现通过增大叶根弦长的方法达到叶片增升的目的，对比外形改变前后的功率、扭矩、推力以及流场情况，探讨叶片优化改造的方法。

DF77D及改造后的叶片DF77D-root的弦长如图2所示。图中 “Schmitz”表示用Schmitz理论计算出来的弦长。

图2 DF77D叶片叶根改型前后弦长对比

2 数值方法

采用NUMECA的FINETM/TURBO软件包对DF77D以及叶根优化的叶片进行数值模拟。该软件采用时间相关法求解雷诺平均NS方程、中心节点的有限体积离散，显式龙格-库塔时间积分、全多重网格初场处理和多重网格迭代加速，以及低速流动的预处理技术等。湍流模型选用普遍用在工业流体动力学问题分析的SA模型[3]。

2.1 网格介绍

三维叶片网格自动生成：在导入叶片几何、指定叶片数目与转速、指定计算域大小与网格分布后，即可完成网格的自动生成和边界条件的自动设置。根据流动的周期性，三叶片风力机计算域大小为120°圆柱，如图3所示。

图3 计算域及网格局部放大图

计算网格总数约为290万，上下游各10倍叶高，径向6倍叶高，翼型弦向网格数161，叶片展向网格数81。叶片表面绝大部分Y+均小于3。

2.2 边界条件

一天晚上，老同学聚会，冯一余喝了点酒，请代驾把车开回来，已经没地方停车了，就停到大街上，代驾打车走了。他自己一路走回去，被夜风一吹，有点兴奋，干脆绕着小区散起步来。绕了一圈，发现路边一辆车里好像有个亮点，没怎么在意；又绕了一圈，那个亮点还在，他还是没当回事；再绕一圈，还是这样，他终于忍不住了，凑近了看看，一看之下，吓了一跳，竟是小区的物管经理老崔，坐在车里抽烟呢。

计算域外边界给定进、出口边界条件：来流侧给定速度分量和大气温度，其余计算域边界给定大气压力，大气温度293 K，大气压力101 325 Pa，如图3所示。叶片壁面为无滑移边界，轮毂采用欧拉边界。

2.3 湍流模型

湍流模型选用S-A模型。

2.4 收敛准则

各块残差：每个块的残差下降3个量级以上。

总体参数：总体性能参数 （如推力，扭距等）不再随迭代步数而变化，如图4所示。在大分离情况下，计算以性能参数呈周期性变化为收敛。

全局残差:全局残差下降3个量级以上。

各区块残差下降3个量级以上。低风速时总体性能参数达到稳定，高风速时由于流动分离尺度较大，总体性能参数呈周期性变化。

图4 总体残差及功率收敛曲线

3 数值计算结果分析

3.1 计算结果确认

采用上述数值方法对DF77D以及叶根改进的叶片DF77D-ROOT在风速为5 m/s、8 m/s、10.8 m/s、15 m/s和20 m/s的情况下，分别对其进行数值模拟，计算结果与DF77D原始设计的轴功率数据（动量叶素理论）以及功率系数进行对比，如图5所示，其中 “Design”表示叶片原始设计数据，“DF77D”和 “DF77D-ROOT”分别表示DF77D叶片及DF77D-ROOT叶片数值计算结果。

图5 轴功率与功率系数曲线对比

从图5可以看出，在所研究的风速范围内，两支叶片数值计算的轴功率和功率系数与叶片原始设计功率数据和功率系数趋势一致，数值计算结果与设计功率值吻合良好，叶根弦长增大之后的计算结果明显高于DF77D叶片。

由于计算涉及到风速、截面翼型较多，所以只选用位于叶片展向6 m位置截面的数值计算结果作为研究对象，定性分析压力分布特性和流场细节，其他截面的流场特性不在文中赘述。

3.2 压力分布

由于叶根优化前后的两支叶片均为变截面扭叶片，各个截面的翼型弦长扭角均不相同，对于均匀来流的情况各个截面流场、翼型攻角、压力分布等也不相同，现以叶片展向6 m截面翼型为主要研究对象，对比分析两支叶片压力分布特性。数值计算压力系数通过式（1）求得。

其中：p为翼型表面的压力，Pa；p0为来流静压，Pa；U∞为来流速度，m/s；Ω为风轮转速，rad/s；r为截面到轮毂中心的距离，m。

根据式（1）计算得出不同风速下的叶片各截面翼型压力系数分布，如图6所示。图中黑色十字型曲线为DF77D计算结果，红色三角型曲线为DF77D叶根弦长增加后的计算结果。

图6 6 m截面在不同风速下的压力系数分布

根据式（1）计算得出叶根优化前后两支叶片在不同风速下的叶片6 m截面翼型的压力系数分布，如图 6所示，可以看出：在相同的风速下，DF77D-ROOT叶片压力测驻点比DF77D叶片靠后，吸力侧吸力峰值较DF77D叶片小，但是由于DF77D-ROOT叶片弦长较大，使得上下翼面的压力差也较大，即DF77D-ROOT叶片出力较大。

4 现场实施

考虑到现场实施，将叶根弦长适当调整，使叶片与轮毂、机舱以及塔架不干涉，调整后的叶片外形如图7所示。该整机的年发电量增加1.5%。

图7 叶片壁面极限流线及叶根局部放大图

将叶根到最大弦长附近的部分按调整后的弦长方案制作一个模具，可应用于叶片后期改造。

5 结论

采用CFD软件对DF77D及其叶根改造后的叶片进行三维定常数值模拟研究。通过对比数值计算的结果，分析叶根改造前后叶片的气动特性，结果显示：叶根弦长增加后，改善了叶根部分叶片的流场特性，使得叶片的Cp增加约1.6%。考虑到现场实施，将叶根弦长适当调整，使叶片与轮毂、机舱以及塔架不干涉，则整机的年发电量增加1.5%。

[1]王旭东.风力机翼型通用型线理论及叶片形状优化设计[D].重庆:重庆大学,2005.

[2]陈进,王旭东,沈文忠,等.风力机叶片的形状优化设计[J].机械工程学报,2010,46（3）：131-134.

[3]范忠瑶,康顺,王建录,等.风力机叶片三维数值计算方法确认研究[J].太阳能学报,31（3）：279-285.

[4]Rauch J,Krämer T,Heinzelmann B,et al.3D numerical simulation and evaluation of the air flow through wind turbine rotors with focus on the hub area[C].In:Peinke J, Schaumann P,Barth S.Wind Energy.Berlin,Springer Verlag:2007:227-230.

[5]B S Heinzelmann,Gollnick,U Thamsen,et al.Investigations into boundary layer fences in the hub aera of wind turbine blades[C].Proceedings of the European Wind Energy Conference and Exhibition,2008.

[6]Rogers SE,Kwak D,kiric C.Steady and unsteady solutions of the incompressible Navier-Stokes equations[J].Aiaa Journal,2012,29(4):603-610.

[7]Hanjalic K,S Kenjeres.Some developments in turbulence modeling for wind and environmental engineering[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2008,96 (10-11):1537-1570.

[8]NUMECA,User Manual FINETM/Turbo v8[Z].2007.

Study on Optimization Method of Wind Turbine Blade Root

Li Jie，Yin Jingxun，Zhong Xianhe

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

By using the CFD software,numerical study on the blades about the different root(before and after optimization)has been carried out.Through comparison and analysis,the aerodynamic performance of the blade is obviously increased after the optimization of the blade root.Considering the relationship between the blade and the hub,nacelle,tower,the blade root is adjusted appropriately,ultimately enable the amount of power increase 1.5%.The results will be referenced for design optimization of wind turbine and blade modification.

wind turbine,blade,root optimization,numerical study

TK8

A

1674-9987（2017）01-068-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.014

李杰 （1983-），女，硕士，工程师，2009年毕业于华北电力大学流体机械及工程专业，现从事风力机叶片设计工作。