1.5兆瓦风力机叶片数值模拟研究.pdfVIP

1．5兆瓦风力机叶片数值模拟研究3 杜刚。陈江 (北京航空航天大学发动机数值仿真中心．北京，中国，100191) 摘要：使用计算流体力学(cFD)软件Fluent，对自主设计的1．5兆瓦风力机叶片进行了三维流场数值模拟．通过 对9种工况下叶片的三维流场分析，得到了叶片的功率性能曲线；并通过各展向截面的压力分布、流线图等分析了 叶片的气动特性． 关键词：风力机；叶片；cFD 1．引论 化石能源危机和环境污染问题制约着我国社会经济可持续发展，缓解危机的解决途径之一是可 再生能源的开发利用，其中风能是可开发利用价值最高的可再生能源，其清洁、安全、无限，被称 为“兰天白煤”。 我国的风能资源丰富，超过lO亿千瓦储量，国家通过风电特许权项目的实施和《可再生能源法》 的制订，大大推进了我国风电产业的起步和规模化发展。目前，国家发改委已经批准了15个风电特 许权示范项目，今后五年内将陆续提出更多的风电特许权项目建议，每个项目规模为lO万千瓦到 20万千瓦，并且设想建立几个百万千瓦级超大型风电基地。到2020年我国的风电规划是3000万千 瓦，年均增加260万千瓦左右，未来十五年年复合增长率将达到25％。风电市场潜力巨大，众多企 业纷纷投入，意欲迅速进入并抢占风电制造市场。然而面临的现实问题是国内风电产业技术储备能 力不足，大型兆瓦级风电机组设备几乎完全依赖进口，国家发改委要求风电机组的70％国产化率难 以达到，自主创新发展已成为我国风电产业规模化发展的瓶颈问题。国家发改委“十一五”期间关 技术研发，其中关于风电叶片技术研发占4项，是用于兆瓦级风电机组叶片设计及材料、制造。 风力透平叶片是风电机组自主研发的核心设备之一。兆瓦级风力透平叶片是大型风电机组核心 Enercon等国外少数几家公司生产，国内市场上兆瓦级产品主要由他们提供，其高昂的垄断价格严重 影响我国风电产业的发展。国内目前从事兆瓦级大型风力透平叶片研发能力的机构很少，且大都处 于引进消化试制阶段，自主创新设计能力不足。 基于我国风电产业发展的美好前景，以及大型风电叶片国产化市场强烈需求，国内某风电有限 公司以国内风电场主力机组——1．51VlW水平轴风力机叶片为研发对象，委托北京航空航天大学航空 发动机数值仿真研究中心开展了1．5MW水平轴风力机叶片研发设计【1】。本文的工作为叶片气动设计 和风力发电机组认证的一部分，主要通过对叶片的三维流场数值模拟，得到叶片的功率性能和气动 特性。 省部产学研资助项目(2007A090301010)。 53 园 I／—’_焉誓-r 1『’’笋蠡磊澎 目2l 5～fitR电’¨：的=维lr韩H惜 为r提高M格质蛀，我”』使刚，Ic咖的j、J州$¨格模式。nl}H周川，采川丁贴体的0碰刚格 54 其正交性和边界层加密的质量都很好；在远离叶片的部分，采用了多块网格拼接的方法。网格点共 轮半径处，出口在叶轮下游13倍叶轮半径处：径向远场为一圆柱面，半径为4倍叶轮半径。 2．2数值求解 对三维叶片的流动模拟采用了商业流体力学数值模拟平台Fluent。该软件使用有限体积法求解 雷诺平均的N-S方程，本文的模拟条件为三维定常不可压流，空间离散采用二阶迎风格式，湍流模 件，远场也按速度进口条件给定． 3．计算结果及讨论 3．1计算工况 m／s，间隔2m／s，共计9个算例。以下给出各 计算工况为叶片转速17．5rpm，来流风速为6到24 工况的计算结果： 表一转速17．5rpm时叶片气动性能 尖速比 来流速度(m／s) 扭矩(牛．米) 功率(瓦) 功率系数 11．75918 6 52760．022 290064 0．463575 8．819388 8 754323 0．50859 7．055