基于Xflow風機葉片覆冰數值模擬研究

楊生 錢進 王明惠 朱春曉

摘 要：為研究風力發電機葉片覆冰后對其運行性能帶來的諸多問題，本文采用格子玻爾茲曼方法-大渦模擬的無網格方法對貴州某1.5 MW大型風力發電場的風機葉片霧凇、雨凇覆冰下的結冰程度、風速及轉速對其輸出能力的影響進行數值模擬研究，并根據計算結果擬合出一組公式。結果顯示：額定風速下霧凇覆冰程度達2%時，與未覆冰（0%）時相比，輸出功率和風能利用系數分別減少了5.06%和11.89%;結冰度達20%后其功率和風能利用系數分別降低了26.23%和31.54%;當雨凇覆冰程度達到2%后其輸出功率降低16.47%，風能利用系數降達21.29%，10%的雨凇形式覆冰其功率降幅為31.51%，風能利用系數降幅達35.46%;轉矩及輸出功率均隨風速的增加不斷上升，結冰度為20%時，其轉矩和功率較結冰程度為零時減少了26.23%;轉矩、輸出功率和風能利用系數均隨轉速增大而上升，轉速為16 r/min時是最佳轉矩狀態;運行現場根據計算結果擬合的公式獲得的覆冰模型，可進行有效的性能預測。

關鍵詞：風機葉片;覆冰;Boltzmann方法;大渦模擬;數值模擬

中圖分類號：TK83 ?文獻標志碼：A

近年來，我國聚焦綠色低碳轉型，繼續深化能源供給側結構性改革，風力發電在全球電力生產結構中的占比不斷上升。葉片覆冰（霧凇、雨凇等）[1]問題會對風機的輸出性能、電力系統運行穩定性、安全等造成巨大影響，為減輕覆冰帶來的諸多影響，確保其輸出性能及電力系統穩定運行，國內外許多科研人員對風機葉片覆冰問題進行了很多研究。任曉凱[2]對小型風力機在結冰程度增加過程中的風能的利用系數變化趨勢進行了計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）數值模擬，研究了不同覆冰類型及覆冰多少對風能利用系數帶來的問題，并且在人為制造的室內對風力發電機進行了相關覆冰實驗。付忠廣[3]等應用CFD軟件，對覆冰后的葉片的氣動性能有了較深的了解，說明了覆冰會造成葉片的氣動性能方面發生惡化。也有學者采用格子玻爾茲曼（lattice boltzmann method，LBM）-大渦模擬（large eddy simulation，LES）方法進行相關研究，鄒森[4]采用了LBM-LES方法及亞格子模型對風力機自由旋轉風輪的湍流流場進行了模擬，結果證明了LBM-LES能有效地了解得到風力發電機比較復雜的湍流流場的細節。

本文基于LBM-LES方法，采用Xflow軟件對風機葉片覆冰情況進行了數值模擬研究。根據本研究的數值模擬計算結果，運行人員可利用固定安裝的高清晰度攝像頭、無人機航拍等技術手段獲得的結冰圖片判斷其類型及厚度后結合預測模型可對風機葉片覆冰輸出性能進行預測，為電廠運行提供一定的參考。

1 風機葉片的幾何模型與覆冰模型

1.1 幾何模型

本文基于貴州某風力發電場的1.5 MW某型號的水平軸風力機，采用Glauert法結合在風力發電場收集的風力發電機主要參數，利用建模軟件CATIA對葉片建立三維建模，風機葉片幾何模型如圖1所示。

該風機葉片三維模型中，風機風輪直徑88 m，葉片半徑是44 m，其中輪轂的半徑為1 m，風輪的旋轉速度為17.4 r/min，風機葉片最大弦長在葉片徑向距離等于0.2 R的位置取得，弦長C為3.67 m，葉片各截面上的弦長是沿著徑向半徑逐漸變小，葉片尖端處的弦長為1.0 m 。

1.2 覆冰模型

本文結合實際情況并參考文獻[5-6]中的表示方法，定義覆冰程度為葉片葉尖處的翼型沿弦長的覆冰厚度與葉尖處弦長值之比，參考文獻[7-9]知風力機葉片霧凇形式下的覆冰形狀的相對規則，通常呈現為流線型，主要集中在葉片的前端;而雨凇呈突起的角狀冰型。風機葉片兩種覆冰形式（霧凇、雨?。┑亩S截面表示為圖2、圖3所示。

3 結果與分析

3.1 覆冰程度對輸出性能的影響

由圖6可知，隨著霧凇結冰不斷惡化，風機的轉矩、風能利用系數及功率都呈現出明顯的下降趨勢。通過分析轉矩圖6（a）和輸出功率圖6（b）曲線可知，低風速下葉片覆冰起始段轉矩和輸出功率降低不明顯，如6 m/s的速度下，2%的霧凇覆冰較未覆冰（0%）時的轉矩和輸出功率幾乎沒有變化，速度提高后，風力發電機輕微霧凇結冰后其功率和轉矩下降趨勢越來越明顯;從圖6（c）可以看出，輕微霧凇覆冰時風能利用系數顯著下降，隨著覆冰程度不斷加重，風能利用系數受結冰程度的限制較形成冰的初期時小。

分析圖7可知，當轉速不變時，與霧凇覆冰相同，雨凇覆冰不斷加重后風機的輸出性能總體明顯降低。對比雨凇覆冰程度為2%時與未覆冰（0%）兩個工況下轉矩和輸出功率的結果，可以看出，其下降幅度比較顯著，與霧凇形式的覆冰存在區別，且雨凇覆冰程度達10%時風機的輸出功率較0%時下降達31.51%左右。

3.2 風速對輸出性能的影響

由圖8可知，在覆冰程度不變的情況下，風力發電機的功率及轉矩隨速度的升高而增大，當速度達到9 m/s接近額定速度值10 m/s時，轉矩和其功率曲線變化較緩。在霧凇覆冰程度不同的情況下，雖然轉矩和輸出功率具體數值不同，但是總體的變化趨勢始終保持一致，覆冰程度較小的幾條曲線比較靠攏，當覆冰程度較大時曲線間隔變大，當覆冰為20%時，風力機的轉矩和其功率較覆冰程度為零時下降了26.23%，可以看出如果覆冰持續加劇，風機輸出性能會繼續下降。

分析雨凇覆冰不同風速下輸出性能變化曲線可知，隨著風機葉片表面的冰厚度的增加，風機的轉矩和輸出功率均呈現下降趨勢，風力機的轉矩和輸出功率隨著風速的升高逐漸增加，但風速較?。ā? m/s）時，風力機的轉矩及出口功率增長較為平緩。

3.3 轉速對輸出性能的影響

由圖10可知，覆冰加重引起風機轉矩、出口功率和風能的利用系數等性能指標均呈現下降趨勢。起始時風機的轉矩、出口功率和風能的利用系數均隨轉速的上升而增大，當其轉速增達16 r/min時，若繼續增加，轉矩呈現明顯的下降趨勢，而出口功率及其風能利用系數仍保持相對之前比較平緩地增長趨勢。

4 結論

論文采用LBM-LES的無網格方法對風機葉片兩種覆冰類型的覆冰程度、風速和轉速對其功率、轉矩及風能利用系數的影響進行了數值模擬研究?，F得出以下結論：

（1）風機的轉矩、輸出功率及風能利用系數均隨葉片覆冰程度的加重呈下降趨勢，速度不變情況下霧凇覆冰程度達2%時，與0%時相比，其功率減少5.06%，風能利用系數下降了11.89%;覆冰程度達20%時，輸出功率和風能利用系數對應減少了26.23%和31.54%。當雨凇覆冰程度達到2%時，功率降幅達16.47%，風能利用系數降幅達21.29%，10%的雨凇覆冰程度其功率降幅為31.51%，風能利用系數降幅達35.46%，功率和風能利用系數降幅均大于霧凇覆冰20%時的工況。

（2）在一定的覆冰程度下，其轉矩、輸出功率均隨著風速的升高而不斷增加，當風速增大到9 m/s接近額定風速值10 m/s時，風機的轉矩和輸出功率曲線基本保持水平不變，當覆冰20%時，風力機的轉矩和功率較未覆冰（0%）時下降了26.23%。

（3）轉速的不斷上升將引起風力發電機的轉矩、功率及風能利用系數增加，當轉速加大到16 r/min時，若繼續增加轉速，轉矩呈現較明顯的下降趨勢，對于轉矩而言，轉速為16 r/min時為最佳狀態。

（4）根據擬合公式結果顯示，輸出功率、轉矩及風能利用系數均與覆冰程度成二次方關系，與霧凇覆冰相比，雨凇形式的覆冰對其性能會帶來更大的影響。

根據本文研究所得結果，風力發電廠可通過現代科技技術獲得風機葉片覆冰類型及程度后對其采取相應措施，確保其運行的有效性、穩定性及安全性。參考文獻：

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（責任編輯：于慧梅）

Abstract： In order to study the problems caused by the operation performance of wind turbine blades after icing， this paper adopts the lattice Boltzmann method-large eddy simulation meshless method to analyze the wind turbines of a large 1.5 MW wind farm in Guizhou. The effect of icing degree， wind speed and rotation speed on the output capacity of blade rime and rime icing is studied numerically， and a set of formulas are fitted according to the calculation results. The results show that： when the rime icing degree reaches 2% under the rated wind speed， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 5.06% and 11.89% compared with the non-icing （0%）; when the icing degree reaches 20%， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 26.23% and 31.54% respectively; when the rime icing degree reached 2%， its output power decreased by 16.47%， and the wind energy utilization coefficient dropped to 21.29%. The power reduction rate of 10% rime icing was 31.51%， the wind energy utilization coefficient has dropped by 35.46%; both torque and power continue to rise with the increase of wind speed. When the icing degree is 20%， the torque and power are reduced by 26.23% compared to when the icing degree is zero; The torque， the output power and wind energy utilization coefficient both increase with the increase of speed. When the speed is 16 r/min， it is the best torque state; the icing model obtained by the formula fitted by the calculation result can be used for effective performance prediction.

Key words： blade of wind turbine; ice coating; Boltzmann method; large eddy simulation; numerical simulation