厚尾緣翼型在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用(圖表)

　　摘　要：采用CFD 軟件對尾緣加厚處理的3 個相對厚度分別為40%、35%、30% 的翼型進(jìn)行數(shù)值模擬，CFD 計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確認(rèn)數(shù)值計算結(jié)果的可行性的基礎(chǔ)上，分析尾緣加厚對翼型氣動特性的影響，結(jié)果顯示：翼型尾緣加厚后阻力系數(shù)和阻力系數(shù)在線性段隨著尾緣厚度的增加而增加，尾緣加厚以后翼型更不容易失速。將尾緣加厚處理的翼型應(yīng)用于風(fēng)電葉片上，增加了葉片的Cp 和發(fā)電量，為5 兆瓦以上機(jī)組葉片的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
　　引言
　　隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備制造能力快速提高，風(fēng)電設(shè)備正朝著特性化和大型化方向發(fā)展，2 ～ 3 兆瓦風(fēng)電機(jī)組已是市場主流產(chǎn)品，5 兆瓦及以上的大型風(fēng)電機(jī)組也開始應(yīng)用，7 ～ 10 兆瓦的風(fēng)電機(jī)組正在研制，風(fēng)電的開發(fā)也開始從陸地逐步擴(kuò)展到海上。但陸上要加快風(fēng)能資源較豐富內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)能資源開發(fā)，因地制宜開發(fā)建設(shè)中小型風(fēng)電項目，擴(kuò)大風(fēng)能資源的開發(fā)利用范圍。“十二五”規(guī)劃明確指出要研究耐低溫、防沙塵、抗災(zāi)害性大風(fēng)、防鹽霧及適合高原地區(qū)等各類適合我國環(huán)境特點的風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、安全與先進(jìn)控制設(shè)計優(yōu)化技術(shù)、高性能電氣部件設(shè)計技術(shù)等。同時，研究超長葉片氣動外形、結(jié)構(gòu)、材料與控制一體化的設(shè)計技術(shù)，研究超長葉片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等。
　　我國海上風(fēng)資源豐富，開發(fā)海上風(fēng)電葉片也是發(fā)展的必然。另外，高原地區(qū)的風(fēng)資源也比較豐富，缺點是海拔高、空氣密度低、濕度大，這就要求葉片具有低空氣密度下不失速和抗結(jié)冰的特點，由于密度較低，風(fēng)電機(jī)組必須通過采用更大的葉片和優(yōu)化的設(shè)計捕獲更多的風(fēng)能，從而提高發(fā)電效率。所以中國多樣的地域和氣候特征也給葉片的設(shè)計帶來不同要求，不同區(qū)域的風(fēng)資源具有不同的特點。
　　隨著5 兆瓦以上機(jī)組以及高原型機(jī)組的開發(fā)，葉片總的發(fā)展趨勢是長度不斷增加，但是葉片加長后柔度增加會出現(xiàn)新的問題，比如氣彈、顫振及葉尖與塔筒的距離等，另外葉片的加長會帶來整機(jī)制造成本的增加。用什么方法能增加葉片的捕風(fēng)能力又不至于使葉片長度增加太大成為目前葉片設(shè)計的主要目標(biāo)。
　　本文對東方汽輪機(jī)有限公司三個翼型（DF-003-300-DU、DF-002-350-DU、DF-001-400-DU） 的尾緣進(jìn)行加厚處理， 采用CFD（計算流體力學(xué)）商用軟件NUMECA，選用在工業(yè)流體動力學(xué)問題分析普遍采用的SA 湍流模型，數(shù)值研究了DF-003-300-DU、DF-002-350-DU、DF-001-400-DU 翼型的氣動特性，與實驗數(shù)據(jù)對比，確認(rèn)了數(shù)值計算的可信度。在此基礎(chǔ)上，分析翼型尾緣厚度增加前后的氣動特性，分析了流動細(xì)節(jié)，并詳細(xì)地比較了尾緣厚度不同情況下流場的變化趨勢，分析尾緣加厚對翼型氣動特性的影響。
　　1. 研究模型及數(shù)值方法
　　1.1 幾何模型
　　葉片設(shè)計時，翼型厚度沿展向（從葉根到葉尖）逐漸降低。由于中葉展以上對風(fēng)輪出力貢獻(xiàn)較大，翼型性能相對較好，而中葉展以內(nèi)的翼型一般考慮結(jié)構(gòu)的因素，相對厚度較大，氣動性能也相對較低。所以對葉尖附近的翼型優(yōu)化的空間較小，而且葉尖附近的翼型性能提高的同時，風(fēng)輪載荷增加相對較大，目前增加葉片捕風(fēng)能力的主要方法是增大葉根附近翼型的相對厚度及尾緣厚度，以承受更大的載荷和增加葉片出力。DF-003-300-DU、DF-002-350-DU、DF-001-400-DU，相對厚度分別為30%、35%、40%，屬于厚度較大的翼型，用于葉片50% 長度以內(nèi)，本文對上述3 個翼型分別進(jìn)行尾緣厚度加厚處理，每種翼型加厚3 種尺度，得到的幾何外形如圖1 所示，其中翼型名稱后的數(shù)字代表尾緣厚度，單位是mm。