风力机智能叶片气动特性研究.pdf

风力机智能叶片气动特性研究 St u dy on aer odyn ami c per f or mance of s m ar t r ot or f or wi n d t ur bi ne 何科杉 ，石永超 HE Ke s h a n l | ．SHI Y o n g - c h a o 1 ． 汕头职业技术学院 机电工程系，汕头 5 1 5 0 7 8 ；2 ． 汕头大学 工学院，汕头 5 1 5 0 6 3 摘要全球能源危机和环境污染问题有力地推动了以风能为代表的新能源产业的发展，风电装备制造 技术成为我国风电产业可持续发展的瓶颈。为了降低风力发电成本 ，风力机大型化是必然的 发展趋势，但也带来了叶片惯性过大 ，控制响应过慢等结构和控制的一系列问题。智能叶片 技术的提出为解决传统变桨矩控制局限性提供了新方法 ， 但智能叶片的气动特性与控制方式 等核心技术有待进一步开展研究。通过研究安装尾缘襟翼的智能叶片的气动参数与尾缘襟翼 占弦长，尾缘襟翼偏转角 ， 攻角的变化规律，可为智能叶片控制系统设计提供参考依据 ，完 善智能叶片技术，从而提升风电装备制造技术水平。 关键词风力机 ； 智能叶片；尾缘襟翼；气动特性 中圈分类号T H 1 2 2 ；T K 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 O l 6 0 3 - 0 0 6 1 - 0 3 0 引言 全球能源危机和环境污染 问题推动了新能源 的开发 与利用，风能作为一种可再生的清洁能源，已经成为世 界各国的新能源发展 的重要方 向。我国正在大力发展风 电产业 ，近几年风电装机容量增长均处于世界前列，风 电装备制造产业成为 国家战略新兴产业 。风 电装备制造 核心技术不足成为阻碍我 国风 电产业持续发展的瓶颈， 通过研发先进的风电装备制造技术 ，提高风电产业的技 术水平 ，是我国风电产业发展的必由之路。为了降低风 力发 电成本，风力机大型化是必然的发展趋势u 。风 力机大型化使叶片的长度 的不断增大，叶片长度增加使 叶片传统的变桨距控制局 限性越来越明显，主要表现在 以下三个方面1 大型风力机叶片惯性较大，变速变 桨控制难 以应对 湍流风况下快速变化的气动载荷；2 由于叶片过大载荷沿叶片分布不均，变速变桨控制无法 针对 叶片局部载荷施加有效控制；3 过度使用变桨控 制 易导致变桨装 置疲劳损坏口 q 。针对传统变桨距控制 的不足 ，研究人员提 出了 “ 智能叶片 ”概念，即在叶片 安装一套 由传感器、控制器、执行器及气动装置组成的 智能控制系统I 。智能叶片对风力机叶片局部形态和 周边流场进行控制 ，产生失速延迟或弦线变化从而快速 调节叶片气动载荷，改善叶片的气动特性。智能叶片具 有惯性小、响应快速、局部可调等优点，可与变桨距控 制协调工作对风力机载荷及功率进行有效的控制 。智能 叶片气动装置类型主要包括尾缘襟翼、微伸缩片、主动 扭转、中弧线主动变形等 ，其 中尾缘襟翼模仿飞机机翼 上添加襟翼的做法 ，将飞机机翼上的襟翼概念移植到风 力机叶片上，具有气动调节效果好，反应速度快 ，良好 的结构和安全特性，较易在风力机上应用等优 点，被认 为是最具可行性的气动装置【 9 n l 。智能叶片为大型化风 力机叶片设计与制造提供一种新的思路，弥补 了变桨距 控制的不足，可 以有效的降低叶片的气动载荷，稳定输 出功率，降低风力发 电成本，具有广 阔的应用前景；但 智能叶片的气动特性和控制方式等核心技术还未有待进 一 步展开研究。本文应用风力机叶片翼型气动分析代码 Xf o i l 对安装尾缘襟翼 的智能叶片气动特 性做 了深入研 收1日囊2 0 1 5 -1 2 -1 4 基盒项目广东省自然科学基金资助重点项目大型风力机柔性叶片气动弹性问题研究 5 2 0 1 2 0 2 0 0 1 1 0 9 5 ；汕头职业技 术学院科研项目风力机主动减载控制技术研究 S Z K 2 0 1 4 Y 2 0 ；汕头职业技术学院创新强I交 项目大型风力机 智能控制技术研究与应用 S T P - Z Z ,- 0 1 6 作者簧介何科杉 1 9 8 1 一 ，男，广东揭阳人，讲师，博士，研究方向为风能利用及风力机械。 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 - 0 3 [ 6 “ t l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 究和分析 ，可 为风力机 智能叶片的设计制造提供参考 依据。 1 安装尾缘襟翼的智能叶片气动特性研究 1 ． 1研究方法及可靠性验证 参考 翼型采用美 国可再生能源 实验室设计的5 MW 风力机 叶片的N A C A 6 4 6 1 8 层流翼型，该翼型特点是上 表面较平坦，可较好的保持层流流动 ，减少摩擦 阻力。 以N A C A 6 4 ． 6 1 8 翼型做为基础翼型加入尾缘襟翼 ，研 究 尾缘襟翼 占弦长、偏角对翼型气动特性的影响作用。采 用X f o i l 计算研究翼型升力系数，阻力系数，升阻比，力 矩系数等气动参数随翼型攻角为． 2 0 。～2 0 。、尾缘襟 翼偏角为． 2 0 。～2 0 。、 占弦长为5 ％～3 0 ％之间的气动 参数变化规律 。选取取雷诺数R e 为6 ． 0 1 0 ，采用X f o i l 计算攻角分别为． 3 。、0 。、3 。时的翼型气动参数，与 美国N AS A国家风洞实验室中心的风洞实验实测数据 比 对，如表1 所示。 表1 f o il 计算数据与与风洞实验数据对照表 攻角 升力 系数C 1 力矩系数Cm 。 计算值 实验值 相对偏差 计算值 实验值 相对 偏差 O O O O 0 0 0 -3 ． 0-3 2 ． O_ 3 2 4 8 0 ． O o 7 4 0．O O o4 O 0． 5 3 0- 3 2 0 _ 3 2 4 9 O ． 0 0 7 6 0 ． 0 o O 5 O O．5 数据对 比表明，升力系数C l 的相对偏差分别为0 ， 0 ． 0 0 7 4 和0 ． 0 0 7 6 ，阻力系数C d 的相对偏差为0 。 0 ． 5 和0 ． 5 。 升力系数和阻力系数的相对偏差较小，力矩系数的数值 偏小，造成相对偏差较大，但对翼型气动性能研究影响 不大。通过数据对比分析，可知翼型小攻角范围内X f o i l 计算数据与美 国NA S A风洞实验数据基本一致 ，误差在 可以接受的范围之 内。 1 ． 2尾缘襟翼占弦长对翼型气动参数的影响 选取N A C A 6 4 ． 6 1 8 翼型添加尾缘襟翼，固定攻角为 4 。，尾缘襟翼偏转角为5 。，取雷诺数R e 为2 ． 0 1 0 ， 尾缘襟 翼占弦长范围 由5 ％变化 至3 0 ％，通 过X f o i l 计算 翼型气动参数随尾缘襟翼 占弦长变化的数值，通过数据 处理和分析 ，得到翼型气动特性参数 包 括升力系数 C l ，阻力系数C d ，升阻L L C 1 ／ C d ，力矩系数C m，如 图 1 所示。 计 算结 果表 明 ，尾 缘襟 翼 占弦长 由5 ％～3 0 ％的 变化范 围内，N AC A 6 4 ． 6 1 8 翼型 的升 力系数c 1 连续上 升，当尾缘襟翼 占弦长达到2 8 ％时升力系数达到最大值 1 ． 1 5 6 8 ，随后升力系数略微下降。阻力系数C d 随尾缘襟 翼 占弦长变化不大 ，始终处于0 ． 0 2 0 0 。 0 2 1 范围内。升 1 6 2 1 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 - 0 3 图 1 翼型气动参数随尾缘襟 翼占弦长 的变化 关系 阻比系数C I ／ C d 在尾缘襟翼 占弦长5 ％～3 0 ％区间 内逐渐 上升，在尾缘襟翼 占弦长为2 8 ％时达到最大值5 5 ． 3 4 9 3 ， 此 时翼型气动性 能达到最优状态 ，随后升阻 比逐渐下 降。力矩系数C m的绝对值大小首先在 占弦长的变化范 围内一直增大 ，在占弦长为2 5 ％时达到最大值0 ． 1 4 4 4 ， 随后力矩系数逐渐下降。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 3攻角对添加尾缘襟翼翼型气动参数的影响 选取尾缘襟翼占弦长为5 ％，在雷诺数为6 ． 0 1 0 ， 采用X f o i l 计算添加尾缘襟翼的N A C A 6 4 ． 6 1 8 翼型气动参 数，尾缘襟翼偏转角分别为． 5 。，0 。，5 。，得到攻角 与翼型气动参数的变化关系，如 图2 所示。 _ ●一■ ■ ■● ■ 一 ● ■ ■■l ● PI _一 ● ■ a ■■●■ ●● -- 一 量三 蜃 _ ．． _脚 -一 -． ； _- 岫 ■ -_ 一 C _ 图2 翼型气动参数与攻角的关系 计算结果表明，当尾缘襟翼偏转使翼型气动参数变 化符合一定的规律 ，当尾缘襟翼向下 正向偏转时， 气动参数 翼型升力系数C 1 、阻力系数C d 、升阻比C I ／ C d 、力矩系数C m曲线 向左偏移，且失速 点提前；当 尾缘襟翼 向上 负向偏转时，气动参数 翼型升力系 数C l 、阻力系数C d 、升阻比C I ／ C d 、力矩系数C m曲线 向右偏移，且失速点延迟。 1 ． 4尾缘襟翼偏转角对翼型气动参数的影响 选取来流攻角为3 。，尾缘襟翼占弦长为5 ％，雷诺 数为6 ． 0 1 0 ，采用X f o i l 计算得到尾缘襟翼偏转角与翼 型气动参数的变化关系图，如图3 所示。 计算结果表明，尾缘襟翼偏转角 由一 2 0 。“ -- 2 0 。的 范围之内，翼型的升力系数、阻力系数持续提高，在尾 缘襟翼偏转角达到1 1 。时升力系数增长减缓，阻力系数 增长加快，翼型升阻比先持续增长，并在1 1 。时达到最 大 1 9 4 ． 5 8 0 5 4 ，随后升 阻比随着尾缘襟翼偏转角增大逐 渐下降，翼型力矩系数的绝对值也一直随着尾缘襟翼偏 转角持续增大。 图3 翼型气动特性参数与尾缘襟翼偏转角关系图 1 ． 5 实验结论 添加尾缘襟翼对风力机智能叶片翼型气动特性 的主 要影响如下 1 尾缘襟翼 占弦长5 ％～3 0 ％的范围内，翼型升力 系数逐渐上升，在达到峰值 2 8 ％后降低 ；阻力系数 始终在一个较小的区间内稳步上升；尾缘襟翼 占弦长存 在一个较优的取值范围。 【 下转第9 3 页】 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 - 0 3 [ 6 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 实例的推理技术，得到与设计需求相匹配最合适 的知识 模板，为设计过程得到较为科学准确的知识，缩短设计 时间 ，提高设计的可靠 性。采用基于相似度 的检索算 法，最终得到满足设计需求的知识模板。知识模板与宇 航产品设计过程相关联，能有效的提高知识的利用率 ， 提高产品的设计效率。 参考文献 ’ 【 1 】 王国新， 阎艳， 张祥， 胡立臣． 面向坦克装甲车辆创新与快速设计 的知识建模方法研究【 J ] ． 兵工学报，2 0 0 9 ， 3 0 增刊 1 0 0 - 1 0 5 ． 【 2 】 秦海峰， 王强， 黄翔． 基于特征与知识的航空钣金快速设计系统 的研究与开发【 J 】 ． 机械制造与研究， 2 0 1 0 ， 3 9 4 1 3 ． 1 6 ． [ 3 】 陈永亮， 徐燕申， 齐尔麦， 机械产品快速设计平台的研究与开发 [ J 】 ． 天津大学学报， 2 0 0 2 ， 3 5 6 7 4 4 7 4 8 ． 【 4 】屠立， 张树有， 陆长明． 基于知识模板的复杂产品设计重用方法 研究[ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 9 ， 1 5 6 1 0 4 1 1 048 ． 【 5 】李国喜， 吴建忠， 张萌， 等． 基于功能一 原理一 行为一 结构的产品模块 化设计方法 [ J ] ． 国防科技大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 5 7 5 8 0 ． 【 6 】石明， 朱程荣， 黄珊． 基于知识模板的产品建模方法[ J ] ， 计算机辅 助工程。 2 0 1 l ， 2 0 2 3 2 3 8 ． 【 7 】王海巧， 沈仙法． 基于实例推理的减速器快速设计方法研究【 J 】 ． 制造业自动化， 2 0 1 5 ， 3 7 1 1 2 2 ． 1 2 6 ． 【 8 】 赵双龙 ， 许长华， 魏超 ． 滑 阀稳 态液动力 的计算和分析 【 J 】 ． 欠箭推 进， 2 0 0 6 ， 3 2 3 1 8 2 3 ． 矗● 重‘ |鑫● ●‘● ‘‘ ．{矗● ●童‘ ． 童● |国● {重● {叠● {矗● {矗I 矗● ． 出．{南● {童● ． 出．{童● ●童‘ ． 矗‘ 矗‘ 【 上接第6 3 页】 2 攻角从． 2 0 。～2 0 。范围内，尾缘襟翼偏转角变 化会导致翼型气动参数 曲线偏移，当尾缘襟翼 向下偏转 正 向时，升力系数 曲线 向左偏移，且失速点提前； 当尾缘襟翼向上偏转 负向时，升力系数曲线向右偏 移 ，且失速点延迟。该气动参数变化规律可用于智能叶 片气动控制设计。 2 结束语 风力机智能叶片技术作为变桨矩控制技术的有力补 充，与变桨矩控制系统共 同作用，可使风力机功率输出 保持稳定性，并减小风力机承受的气动载荷，提高风力 机 的使用寿命，降低风力发 电成本，具有广阔的工程应 用前景。 参考文献 【 l 1 P ． Ve e r s ， T． As h wi l l ， H． S u t h e r l a n d ， e t a 1 ． Tr e n d s i n t h e De s i g n ， Ma n u f a c t u r e a n d E v a l u a t i o n o f Wi n d T u r b i n e Bl a d e s [ J ] ．Wi n d E n e r g y 。 2 0 o 3 ， 6 3 2 4 5 - 2 5 9 ． 【 2 】A． Na t a r a j a n ， P ． J e n s e n ， F ． R a s mu s s e n ， e t a 1 ． I n n o v a t i v e Wi n d C o n v e r s i o n S y s t e ms 1 0 - 2 0 MW F o r Off s h o r e A p p l i c a ti o n s 【 E B／ OL ] ． h t t p ／ ／ w ww．i n n wi n d ． e u ／ ，J u n e 2 4 ， 2 0 1 4 ． 【 3 】 H． A． Ma d s e n ． De v e l o p me n t o f S ma r t B l a d e T e c h n o l o g y - T r a i l i n g E d g e F l a p s [ R ] ． R o s k i l d e ， Da n ma r k DT U Wi n d E n e r g y An n u a l Re p o r t ， 2 0 1 3 1 2 1 3． [ 4 】4 余畏， 张明明， 徐建中． 基于柔性尾缘襟翼的风电叶片气动载荷 智能控制【 J 】 ． 工程热物理学报． 2 0 1 3 ， 3 4 6 1 0 5 5 1 0 6 0 ． [ 5 】 L． Be r g a mi ， V． Ri z i o t i s ， M． Ga u n a a ． Ae r o d y n a mi c r e s p o n s e o f a l l a i r f o i l s ec t i o n u n d e r g oi n g pi t c h mo tio n a n d t r a i l i n g e d g e fla p d e fl ecti o n a c o mp a ri s o n o f s i mu l a ti o n me t h o d s [ J ] ．Wi n d E n e r g y ， 2 0 1 4 ， 1 7 3 3 8 9 4 0 6 ． [ 6 】 J ． B e r g ， M． Ba r o n e ， and N． Yo d e r ． S MAR T Wi n d T u r b i n e Ro t o r Da t a An a l y s i s a n d Co n c l u s i o n s 【 R】 ． Ne w Me x i c o ， US A S a n d i a Na tio n a l La b o r a t o r i e s Re p o r t ， 2 01 4． 【 7 】 J ． B e r g ， B． R e s o r ， J ． P a q u e t t e ， a t e 1 ． S MAR T Wi n d T u r b i n e Ro t o r De s i g n a n d F i e l d T e s t [ R] ．Ne w Me x i c o ， uS A S a n d i a Na ti o n a l La b o rat o rie s Re po r t ， 2 0 1 4 ． 【 8 】 C． a a k , M． Ga u n a a , P ．An d e r s e n ， e t a1． Wi n d t u n n e l t e s t o n a ir f o i l Ri s o e B1 1 8 wi th an Ac ti v e T r ai l i n g E d g e F hp [ J ] ． Wi n d E n e r g y ， 2 0 1 0 ， 1 3 3 2 0 7 2 1 9 ． 【 9 】 D． C a s t a i g n e t ， T．Ba r l a s ， T ． Bu h l ， e t a1． F u l l s c ale t e s t o f tr a i l i n g e d g e fl a p s o n a Ve s t a s V2 7 wi n d t u r b i n e a c tiv e l o a d r e d u c tio n an d s y s te m i d e n ti fi c a ti o n [ J ] ．Wi n d E n e r g y ，2 0 1 4 ， 1 7 4 5 4 9 5 6 4 ． 【 l O 】 T． B a r l a s ， K． Va n ． Re v i e w o f S t a t e o f t h e Ar t i n S ma rt R o t o r Co n tro l Re s e a r c h f o r Wi n d T u r b i n e s [ J ] ． P r o g r e s s i n Ae r o s p a c e S c i e n c e s ， 2 0 1 0 ，4 6 1 1 - 2 7 ． 【 1 1 】 T． Ba r l a s ， W． Wi n g e r d e n ， A．Hu l s k a mp ， a t e 1 ． S ma r t d y n a mi c r o t o r c o n t r o l u s i n g a c tiv e fl a ps o n a s ma l l s c ale wi n d t u r b i n e a e r o e l a s t i c mo d e l i n g a n d c o mp a r i s o n wi t h wi n d t u n n e l me a s u r e me n t s [ J ] ． Wi n d E n e r g y ，2 0 1 3 ， 1 6 8 1 2 8 7 1 3 0 1 ． 【 1 2 】 李传蜂， 徐宇， 赵晓路， 徐建中． 风力机翼型尾缘襟翼动态特性分 析[ J ] ． 工程热物理学报． 2 0 1 4 ， 3 5 5 8 8 3 8 8 7 ． 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 - 0 3 [ 9 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m