大型风力发电机叶片在三维旋转状态下的气动特性分析.pdf

9 8 机 械设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 2年 6月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 6 - 0 0 9 8 0 3 大型风力发电机叶片在三维旋转 状态下的气动特性分析 串 焦华超孙 文磊 新疆大学 机械工程学院， 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 Ae r o d y n a mi c An a l y s i s o f a L a r g e s c a l e W i n d Tu r b i n e Bl a d e u n d e r Th r e e - Di men s i o n a l Ro t a t i o n a I E ff e c t J I AO Hu a - c h a o ， S UN We n L e i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u m q i 8 3 0 0 4 7 ， C h i n a 【 摘要】 为了更准确地研究风力发电机在三维旋转状态下的动态失速特性， 分析其气动性能， 建 立风力机叶片和轮毂的三维气动模型， 采用计算流体力学方法， 对叶片在三维旋转状态下的气动特性 进行了 模拟， 得到叶片周围流场分布状况。分析结果表明相对于无旋转状态， 三维旋转状态下， 叶片表 面气流有沿叶展方向的运动， 改变了叶片表面压力分布， 致使气流流动分离延迟， 导致叶片出现失速 延迟的现象， 提高了叶片从风中获得能量的能力。 关键词 风力发电机叶片； 气动特性 ； 三维旋转 ； 失速延迟 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r t o iT f o r e a c c u r a t e l y r e s e a r c h t h e d y n a mi c s t a l Z b e h a v i o r a n d a n al y z e t h e a e r o d y n am i c p e r f o r , ． c e o f w i n d t u r b i n e b l a d e u n d e r t h r e e d i m e n s i o n a l r o t a t i o n a l e ffe c t ， a t h r e e - d i me nsi o n a l a e r o d y n am i c m o d e l o f b l ade a n d h u b w a s e s t a b l i s h ． An d t h e n b y u s i n g t h e c o m p u t ati o n a l flu i d d y n am i c me t h o d t h e aer o dyn o mi c c h a r a c t e r i s t i c o f b l ade w a s s i m u l ate d u n d e r t h r e e - d i m e n s i o n a l r o t ati o n a l e f f e c t and th e fl o w fi e l d d is t r i b u t i o n ar o u n d t h e b l ade W H o b ta i n e d ． T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e a i r s t r e a m at s u o Cave of t h e b l a d e s 1 7 1 v e al o n g t h e b l a d e s p anw i s e u r g e r 3 D r o t a t i o n s t at e r e l ati v e t o r o t ati o n f r e e s t ate ， t h at c h ang e t h e p r e s s u r e d is t r i b u t i o n of b l ade s u o C a c e ， m a k e t h e flo w s e p arat i o n d e l a y ， w h i c h e o 2 z a e t h e s ￡ Z d e l a y o fb l ade and e n h anc e t h e abi l i t y o fg ain i n g e n e r g y fro m w i n d ． Ke y wo r d s W i nd Tur bi n e Bl a de； Ae r od yn ami c Cha r a c t e r i s t i c； Thr e e- Di me n s i ona l Ro t at i on al Ef f e c t ； S ta l l -De l a y 中图分类号 T H1 6 ， T M3 1 5 文献标识码 A 1 弓 I 言 发 电 机 的 设 计 和 制 造 是 决 定 其 能 否 更 加 广 泛 的 被 利 用 的 关 键 因 风力发电机在可再生能源利用中占有重要的地位，而风力 素。我国虽然在风力发电机的制造方面取得了一定的成就， 但是 ★ 来稿日期 2 0 1 1 - 0 8 1 5 ★ 基金项目 国家自然科学基金 5 1 0 6 5 0 2 6 ， 新疆维吾尔族自 治区自 然科学基金 2 m1 2 1 1 A 0 0 2 图 6内齿豳的刀具轨迹 5 ． 7生成 N C代码 在菜单下选择【 操作导航器】 ， 在其下来列表中选择【 输出】 ， 单击【 工具】 ， 【 操作导航器】 ， 【 输出】 ／ [ N x _ P o s t 后处理】 。在【 后处 理 】 对话框中选择后处理器， 单击【 确定】 生成 N C 代码， 进而可进 行数控加工。 6结论 二齿差纯滚动滚柱活齿内齿圈的三维数字化设计与加工， 通过 U G N X平台可以明显的提高产品的研发能力和经济效益 1 降低了产品设计、 生产成本， 提高了工作效率。内齿圈的参数 化建模和数据的统一使得参数修改变得简单容易，当参数修改 后， U GN X可以自动驱动下游数据自动更新， 大大减少相同开发 过程所需的时间和工作量。 2 在参数设计过程中， 可以及时检测 内齿圈参数的合理性， 及早避免内齿圈切顶现象。 3 可以实现数 控机床的切削仿真。 验证 N C程序、 后处理器驱动机床运动的真 实性， 将零件加工错误面临的风险降到最低程度。 参考文献 [ 1 ] 曲继方． 活齿传动理论[ M] ．北京 机械工业出版社， 1 9 9 3 l l O ． [ 2 ] 王冬梅， 殷国富， 梁尚明．摆动活齿传动的强度研究及计算机辅助设计 [ J ] ． 四川大学学报 工程科学版， 2 0 0 7 ， 3 9 1 l 7 1 - 1 7 4 ． [ 3 ] 李华． 摆动活齿传动的设计与二齿差活齿传动的研究[ D ] ． 成都 四川 大学， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 赵国智， 孑 L 凡让， 董新蕊， 等． 二齿差滚动活齿传动中心轮的齿廓修形 及加工[ J ] ．现代制造工程， 2 0 0 7 ， 3 1 5 1 - 5 ． [ 5 ] 梁尚明． 摆动活齿传动的研究[ D ] ．成都 四川大学， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 张磊．U G N X 6 后处理技术培训教程[ M] ．北京 清华大学出版社， 2 0 0 9 ． 第6 期 焦华超等 大型风力发电机叶片在三维旋转状态下的气动特性分析 9 9 在设计方面和西方比起来还有很多工作要做 。 三维旋转状态下气动特 不同于无旋转状态。目前国内研 究三维状态下叶片的气动特性主要有两种方法 一种是文献 等 人利用数值解法来研究三维旋转的气动特性， 但是其在得到三维 叶片表面压力分布上 ， 还有一定的困难； 另一种方法是文献 。 q 等 人利用计算流体力学软件计算叶片的压力分布， 但是其在叶片建 模方面， 没有建立整体的叶片模型， 同时也只是研究了无旋转状 态下的气动特性对旋转动态的气动特性介绍较少。 通过建立风力发电机组叶片在三维旋转状态下的模型， 利 用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件中的用于计算流体力学的 F L U E N T模 块， 对风力发电机组叶片在三维旋转状态进行数值模拟并对结果 进行分析。 2气动模型的建立 风力发电机叶片气动特性的分析对叶片外部形状的要求十 分苛刻。 现阶段做数值分析的很多学者都是采用叶片不同位置的 翼型的点坐标， 运用从下向上的建模方式连接点成线， 之后进行 曲面设计， 最终得到叶片的外部形状。在进行叶片设计的过程中 存在大量的插值运算 ， 而且还要不断地修正插值方法， 运算十分 的繁复， 并且得到的叶片还需再在叶片表面增加沿展向的小棱条 以达到模拟真实叶片粗糙表面的效果。 利用专业扫描设备得到某 MW级风力发电机叶片的扫描的 点云数据， 运用逆向工程软件 i m a g e w a r e对得到的点云数据进行 精简、 光顺、 分割， 生成曲线。最终利用三维造型软件 U G得到风 力发电机的叶片的实体模型， 如图 1 所示。由于只是要求得到叶 片的压力分布和周围的流场分布， 不需要对对整个风力机及后续 流场进行分析， 所以只建立了叶片周围的旋转流场 ， 这样可以减 少计算量， 加快求解速度。 图 1叶片模型和气动模型 3数值模拟方法 风力发电机工作过程中， 气流主要是以低速、 低温的空气为 主， 精确的讲， 风力发电所处的流场是～个可压缩有粘性的非定 常流场。 现阶段， 解决上述工程实践问题中的流体力学问题， 建立 的方程一般是以R e y n o l d s 方程为基础，加上适合的湍流模型进 行求解， 得到相应的数据 。 用张量的指标形式表示的时均方程为 连续方程 砉 0 动量方程 砉 p iti 去 一 去 u i s l 湍流模型方程 毒 簧 毒 专 宰G 式中 密度； “ ． 一 时均速度 ； 一 压强 ； 一 粘度； S --R e y n o l d s 方程相关项 ； 一 湍动能； s 一湍流耗散率； G 湍动能产生项； 0 1 ．3 9 ； c ． 一时均变化率相关项； 1 ． 6 8 。 相比于 s A、 S t a n d a r d k - 8 、 和 S S T k 一 等常用的湍流模型， 湍流模型 R N G k - s可获得更好的压力分布计算精度。这是因为 R N G k 一 ￡模型为能够有效模拟旋流以及壁面弯度较大的流动， 对 模型系数和 s 方程都有所修正， 可以较好的模拟旋转流动。 因此， 选用此湍流模型。 叶片表面附近， 流场参数变化大， 在划分网格时 应对叶片壁面层区域， 沿垂直于壁面的方向细化网格， 建立膨胀 层， 从而可以得到更加准确的壁面压力分布和周围流场。高质量 的网格虽然能提高求解精度， 但是现阶段 ， 提高网格质量的主要 方法是增加网格数量。网格质量的重要参考因素是网格畸变度 s k e w n e s s 。列举了网格畸变度和网格数量的关系， 如表 1 所示。 在综合考虑计算结果精度和计算机软硬件 的条件后 ， 选取 s k e w n e s s O ． 8 2的网格划分方法， 划分后网格， 如图2所示。 表 1网格畸变度和网格数量关系 图 2网格划分 初始边界条件为 来流风速为 1 5 m ／ s ， 雷诺数为 R 1 ． 5 1 0 6 , 进口处给定速度 进口边界条件 ， 出口处为压力出口边界条件， 叶片翼型表面给定 滑移网格边界条件。求解时采用 S I MP L E算法处理计算， 变量采 用二阶差分格式进行离散， 残差控制在 1 0 数量级。 4气动模拟结果及分析 4 ． 1叶片表面压力 对叶片在三维旋转状态下的叶片气动特性进行了模拟， 得 到三维旋转状态下叶片表面压力分布云图。如图3所示。 从图 3中可以看出， 三维旋转状态下， 风力机叶片沿叶展方