对某2.0 WM机型叶片进行叶尖小翼应用的气动特性研究,对比分析了不同叶尖小翼设计方案对风轮推力和轴端功率的影响。对带叶尖小翼的叶片W4设计方案,进一步探究了风轮的推力和功率输出,同时对比研究了有无叶尖小翼叶片叶尖区域的表面压力分布、迹线和速度矢量分布情况。结果表明:所设计的8种叶尖小翼方案均能提高风轮的轴端功率输出,增量范围在1.6%~2.3%,同时风轮承受推力也会不同程度增加。不同的翼尖扭角和弯曲半径设置对叶尖小翼的气动性能有一定的影响。叶尖小翼朝向吸力面弯曲比朝向压力面弯曲具有更好的气动特性,风轮输出功率更高,带叶尖小翼的叶片方案W8对应最高的平均风轮轴向功率提升2.25%。

对于风电机组叶片,由于大型叶片根部翼型较厚,易出现流动分离现象,为了提高叶片气动性能,利用雷诺平均方程(RANS),采用SST k-ω湍流模型进行了叶片三维气动性能的仿真模拟,并与Bladed软件的计算值进行对比,验证了该方法的可行性。仿真模拟结果显示叶片根部压力面和吸力面压力曲线交叉,严重影响了叶片轴端的输出功率,而安装扰流板的叶片根部压力面流体速度呈梯度下降,压力增大,同时提高了吸力面的流速,从而增大了叶片两面的压力差。在低于额定风速条件下,扰流板可以提高叶片轴端的输出功率2.3%~2.5%,推力增长仅为2.0%;扰流板安装高度越高,其轴端输出功率提升效果越好。

叶片外形优化是提升风力机气动性能的关键。文章基于STAR-CCM+软件,采用RANS法进行了叶尖小翼气动特性的研究。通过与Bladed计算结果进行对比,验证了此方法的可行性,在此基础上,研究了小翼扭角对叶片三维流场数值计算结果的影响。叶尖小翼减弱了叶尖附近的流动分离现象,增大了叶片压力面与吸力面之间的压差,从而提升了风力机的输出功率。当小翼其他设计参数相同时,负扭角对风力机性能的提升效果优于正扭角,小扭角对风力机性能的提升效果优于大扭角。总体上,小翼扭角对风力机功率和推力的影响较小,当风速相同时,功率增长率最大差值小于0.7%,推力增长率最大差值小于1%。