基于葉尖和葉根損失的大型風(fēng)力機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

宋佺珉 陶秋晗 徐冠群 曹智廣 吳天予

摘 要：目前我國的風(fēng)能開發(fā)主要是通過傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)，由于理論極限和現(xiàn)實條件的影響，風(fēng)力機(jī)最多可吸收來流風(fēng)能中很少的能量。提高功率效率是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電研究的主要任務(wù)。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量主要來自相對風(fēng)速較高的葉片外部部分。在葉片根部和尖部，由于空氣動力學(xué)效率低，很少量的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力。文章就增加在葉片根部增加導(dǎo)流盤和葉片尖部增加小翼以提高效率來進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；葉尖小翼；導(dǎo)流盤；功率曲線

主體：

風(fēng)能的利用：風(fēng)能是由于空氣流動產(chǎn)生的一系列能量，是太陽能的一種特殊的轉(zhuǎn)化形式。具體表現(xiàn)在，當(dāng)太陽照射地球表面時，由于各部分能量分布不均勻，導(dǎo)致各個溫度區(qū)域的大氣壓壓力各不相同，通過水平氣壓的作用，從而形成了風(fēng)這種豐富的資源。眾所周知，風(fēng)能儲量十分巨大，幾乎用之不竭，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，地球上一年可以開發(fā)的風(fēng)能總量能達(dá)到十的十三次方千瓦時。雖然儲量巨大，且分布較廣。但由于它的能力密度過低，采集起來較為不易；另一方面，其不穩(wěn)定性也是一個較大的缺點。如果技術(shù)條件完善的話，風(fēng)能就能被充分的利用，成為能源結(jié)構(gòu)中重要的一環(huán)。

當(dāng)前的風(fēng)能利用工程技術(shù)，主流上是通過風(fēng)力機(jī)的媒介，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能、機(jī)械能等等。風(fēng)力機(jī)通過渦輪葉片，引入空氣中的氣流，從而實現(xiàn)葉片的旋轉(zhuǎn)，并且通過傳動裝置帶動發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)風(fēng)能的最終利用。國家風(fēng)能局?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)查顯示，我國風(fēng)能儲量巨大，可開發(fā)的約有10億千瓦時，而且無污染性、無窮性。而且對于內(nèi)陸交通不便電力傳輸?shù)牡貐^(qū)，可以自己發(fā)電，對于國家能源結(jié)構(gòu)的改善有很好作用。

風(fēng)力機(jī)的發(fā)展史：

人類最早利用風(fēng)能是在公元前，古埃及人能夠設(shè)計風(fēng)帆來帶動船只前進(jìn)，古波斯人通過垂直軸風(fēng)車碾米。

公元十世紀(jì)前后，西方開始出現(xiàn)提水用的風(fēng)車，并且得到廣泛的使用。

公元19世紀(jì)，風(fēng)力機(jī)開始產(chǎn)生用于發(fā)電的構(gòu)想，美國人Charles F. Brush研究設(shè)計出了第一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這個樣式的風(fēng)力機(jī)具有很多葉片，可以實現(xiàn)一間小屋的供電。

不久之后，丹麥的科學(xué)家改良了風(fēng)力機(jī)，提出觀點少葉片高轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機(jī)可以達(dá)到更高的功率并且將其成功的運用于交流發(fā)電。

一戰(zhàn)后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力機(jī)的發(fā)展開始走向大型化和高功率化。并且控制技術(shù)包括偏航和失速調(diào)節(jié)都不斷進(jìn)步用來提高風(fēng)力機(jī)效率。

新世紀(jì)以來，我們國家的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)才開始起步，隨著國家政策的支持和技術(shù)的進(jìn)步，我們國家的風(fēng)電水平得到高速發(fā)展。

風(fēng)力機(jī)現(xiàn)狀：

傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)（Horizontal Axis Wind Turbine， HAWT）最多可吸收來流風(fēng)能中59.3%的能量，即Betz極限。由于各類氣動損失、摩擦損失的存在以及結(jié)構(gòu)、加工等方面的限制，實際運行中的單葉輪水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動效率很難超過53%。為提高風(fēng)力機(jī)的功率，最直接的想法是增加風(fēng)力機(jī)葉片尺寸，但是其整體氣動效率的提升和尺寸無關(guān)。同時，風(fēng)力機(jī)尺寸的不斷增已經(jīng)產(chǎn)生了系列的現(xiàn)實問題：葉片長度的增加會導(dǎo)致葉片質(zhì)量非線性增加，使葉片葉根彎矩大幅增大，給葉片和輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計增加困難，所以從結(jié)構(gòu)安全性方面考慮，葉片和塔柱質(zhì)量大幅增加。一方面，過大的葉片自重需要更大的氣動力來克服葉片重力做功，這樣會降低葉片的氣動效率；另一方面過大的葉輪重量會對機(jī)組的整體載荷產(chǎn)生影響，尤其是對軸承、塔架、傳動鏈的受力產(chǎn)生明顯影響。而且過長的葉片會增加制造、運輸和安裝過程中的困難。

因此我們從仿生學(xué)中獲得靈感，針對現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)，通過在葉片根部增加導(dǎo)流盤和在翼尖增加小翼的方法即可有效提高傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能吸收效率，從而避免了增大風(fēng)力機(jī)葉片尺寸帶來的種種麻煩。

導(dǎo)流盤能夠?qū)⒂行У奈諒娜~根流失的風(fēng)能，翼尖小翼能夠削弱葉尖紊流，從而提高風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，使風(fēng)力機(jī)氣動效率提高一個臺階，同時增加了風(fēng)力機(jī)的運行穩(wěn)定性。

這種方法對市場上常見風(fēng)力機(jī)機(jī)型都具有適應(yīng)性。相比較其他對風(fēng)力機(jī)機(jī)型或葉片的改進(jìn)計劃，導(dǎo)流盤的增加省去了重新設(shè)計的麻煩，通過更有效的方式利用流過葉片根本部分的風(fēng)，從而提高風(fēng)力機(jī)整體性能。而且，葉片本身及其操作運行等條件沒有改變。設(shè)計中唯一添加的附件是在主轉(zhuǎn)子軸線前面的圓盤。實際上它可以直接應(yīng)用于任何現(xiàn)有的HAWT。

葉尖小翼的設(shè)計：

由于翼型的特性，導(dǎo)致機(jī)翼上表面壓力大，下表面壓力小，所以在葉尖處會出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是下表面壓力大導(dǎo)致氣流向上，上表面壓力小導(dǎo)致區(qū)域流動，從而葉尖形成了渦流導(dǎo)致了阻力的大大上升，這就是我們?nèi)~素動量理論中所提到的誘導(dǎo)阻力。于是我們從仿生學(xué)的角度考慮，從鳥類身上獲得了啟發(fā)，根據(jù)有關(guān)的研究表明，鳥類的翼尖結(jié)構(gòu)有效的降低了其飛行的阻力，也就是我們所說的葉尖誘導(dǎo)阻力同時這樣的結(jié)構(gòu)也能降低氣動噪聲，一舉兩得。這種仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計中，能夠達(dá)到類似的效果。有了翼尖折起的小翼之后，葉片下表面的氣流依然向上表面流動，但由于翼尖小翼擋住了渦流，因此減小了葉片的誘導(dǎo)阻力。所以我們在葉尖安裝葉尖小翼來減小甚至消除葉尖的渦流是十分合理且有效的措施。

由于葉尖弦長較小，可調(diào)整空間非常有限，僅通過葉尖施加反轉(zhuǎn)扭角效果也不理想。借鑒飛機(jī)機(jī)翼解決翼尖渦流的經(jīng)驗，一種類似翼梢的葉尖小翼被應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組葉片中。加裝小翼，可以重整通過葉尖流場的氣流，有效地降低葉尖處誘導(dǎo)阻力，減少葉尖能量損失，從而提高原有風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，也有助于降低氣動噪聲。新設(shè)計的葉片葉尖小翼預(yù)期將改善葉片的翼尖渦分布，將比現(xiàn)有的參考葉片擁有更高的風(fēng)能吸收效率。

導(dǎo)流盤的設(shè)計：

為了增強水平軸風(fēng)力機(jī)的性能，我們應(yīng)當(dāng)在旋轉(zhuǎn)葉片的最前方放置一個圓形導(dǎo)流盤來引導(dǎo)來流風(fēng)。這種做法能提高功率輸出，因為動能主要從相對風(fēng)速很高的葉片的外部的外部獲得。我們發(fā)現(xiàn)，如果有適合的半徑和到旋轉(zhuǎn)葉片的距離，安裝導(dǎo)流盤可以獲得額外最多1.5%的能量。

盡管過去的理論能夠有效地提高風(fēng)力機(jī)的性能和效率，但對現(xiàn)代風(fēng)機(jī)設(shè)計者來說，提高風(fēng)能效率仍然是一個主要的難題。這些年來，人們通過不斷的努力，不斷設(shè)計出越來越大型的風(fēng)力機(jī)，為的是提高容量和功率。一個提高氣動性能的關(guān)鍵是設(shè)計出有高升阻比和低噪音水平的強健有力的翼型。有些設(shè)計者也會通過重新設(shè)計風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變翼型的厚度。目前，更高級的設(shè)計方法是結(jié)合葉片設(shè)計和翼型設(shè)計，從而來提高翼型在各種風(fēng)況下的適應(yīng)力。但是，目前很少有人研究在葉根處的氣動性能，因為其很低的氣動性能，人們無法直接使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法來提升其性能。

另一方面，葉片根部的翼型的設(shè)計主要考慮結(jié)構(gòu)載荷，因此氣動性能比較低，一般穿過輪轂的風(fēng)能利用非常低效，葉片根部區(qū)域存在嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。這種漏風(fēng)損失可以通過更巧妙的設(shè)計來彌補。如圖2所示，在輪轂的前面沿旋轉(zhuǎn)軸線放置一個圓盤，可以直接防止風(fēng)能大量流失。這個圓盤將起到一個導(dǎo)流的作用，將來流引到葉片的外部，從而使這部分風(fēng)能被更高氣動性能的翼型所吸收并轉(zhuǎn)化為更多電能。創(chuàng)新設(shè)計的過程將通過改變圓盤的尺寸、形態(tài)和與主轉(zhuǎn)子的距離來研究復(fù)雜流動的狀況從而最終實現(xiàn)提高風(fēng)能捕捉效率的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] Horcas SG， Debrabandere F， Tartinville B， Hirsch C， Coussement G. Rotor-tower interactions of DTU 10MW reference wind turbine with a non-linear harmonic method.Wind Energy 2017；20（4）：619-36.

[2] Timmer WA，van Rooij RPJOM. Summary of the Delft University wind turbine dedicated air- foils. J Sol Energy Eng 2003；125（4）：488-96.

[3] 張志英. 風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4] 倪瑋.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5] 黃素逸等.新能源與技術(shù).中國電力出版社，2011年8月第一版P103～P110

作者簡介：

宋佺珉（1997-），男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：江蘇溧陽，學(xué)歷：本科。