渦流發(fā)生器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用

吳映芳，趙春妮，張立新，朱英偉

(中科國(guó)風(fēng)科技有限公司 天津300456)

0 引 言

渦流發(fā)生器(VG)是一種能夠有效抑制邊界層分離的氣動(dòng)附件，其應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)40年代，如今它在航空領(lǐng)域已成熟應(yīng)用。近來渦流發(fā)生器在風(fēng)電葉片邊界層分離控制中也取得很好的效果，將其安裝于風(fēng)電葉片葉根到葉中區(qū)域的吸力面，可實(shí)現(xiàn)抑制流動(dòng)分離，增加葉片輸出功率的目的。渦流發(fā)生器的形狀、安裝位置及分布密度是影響風(fēng)力機(jī)葉片性能的關(guān)鍵因素，同時(shí)渦流發(fā)生器的材質(zhì)、與葉片的連接強(qiáng)度以及準(zhǔn)確的安裝條件是增加風(fēng)力機(jī)葉片出功的有效保障。本文采用通過風(fēng)洞試驗(yàn)優(yōu)化其幾何特征后的渦流發(fā)生器，將其安裝于某高海拔風(fēng)場(chǎng)機(jī)組(93機(jī)組)葉片，并對(duì)加裝渦流發(fā)生器前后葉片的年發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，僅僅加裝渦流發(fā)生器而不做其他改變，年發(fā)電量可提升 4%左右，如對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制策略的調(diào)整，年發(fā)電量還可進(jìn)一步提升2%左右。

1 某風(fēng)場(chǎng)葉片的氣動(dòng)特性

該風(fēng)場(chǎng)空氣密度較低，實(shí)測(cè)值為 0.9kg/m3，而設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)的空氣密度為 1.225kg/m3，這就導(dǎo)致葉片的額定風(fēng)速提高，葉片各切面攻角增加，如圖1所示，在風(fēng)速 10.9m/s左右時(shí)，葉片的功率停滯不增，13m/s時(shí)才達(dá)到額定風(fēng)速，10.9～13m/s風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)葉片的發(fā)電量損失嚴(yán)重。

圖1 不同空氣密度下的功率分布圖Fig.1 Power distribution versus different air densities

2 加裝渦流發(fā)生器后葉片的氣動(dòng)性能

業(yè)界已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)渦流發(fā)生器的幾何特征開展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究。Timmer等[1]通過表面壓力測(cè)試的方法，研究了大型風(fēng)電葉片專用厚翼型DU97-W-300加裝渦流發(fā)生器后氣動(dòng)特性的變化，如圖 2所示?？梢钥闯鋈~片加裝渦流發(fā)生器可以推遲失速攻角，最大升力系數(shù)增加，提高升阻比，使翼型的升力系數(shù)從 1.55提高到 1.97，但是同時(shí)會(huì)增加阻力。郝禮書等[2]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了渦流發(fā)生器布局方式對(duì)翼型失速流動(dòng)的控制效果。張進(jìn)等[3-4]探究了渦流發(fā)生器抑制超臨界翼型邊界層分離的原理，提出了渦流發(fā)生器的主要作用是減小阻力。適宜采用微型渦流發(fā)生器對(duì)超臨界翼型邊界層分離進(jìn)行流動(dòng)控制，其最佳位置應(yīng)在分離點(diǎn)前 2～5倍渦流發(fā)生器高度之間。行業(yè)內(nèi)渦流發(fā)生器在定槳葉片上已成功應(yīng)用，如 LM1.0MW 葉片加裝渦流發(fā)生器后功率提高10%。

圖2 渦流發(fā)生器對(duì)翼型DU97-W-300氣動(dòng)特性的影響Fig.2 Influence of vortex generator to aerodynamic performance of DU97-W-300

2.1 加裝渦流發(fā)生器前后的性能對(duì)比

基于圖1中葉片發(fā)電量損失的情況，現(xiàn)將設(shè)計(jì)好的渦流發(fā)生器粘貼在葉片上，旨在利用其能夠提高翼型最大升力系數(shù)、擴(kuò)大升力系數(shù)線性區(qū)間的優(yōu)勢(shì)改善葉片的氣動(dòng)性能。加裝渦流發(fā)生器后葉片的λ-CP曲線對(duì)比如圖 3所示。從圖中可以看出，加裝渦流發(fā)生器后葉片在小尖速比(大風(fēng)速)區(qū)域的 CP值明顯增加，即高 CP范圍擴(kuò)大，葉片對(duì)大功角的敏感度降低，發(fā)電量增加。

圖3 加裝渦流發(fā)生前后的λ-CP曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of λ-CP curves before and after installing vortex generator

2.2 加裝渦流發(fā)生器前后葉片的功率特性

加裝渦流發(fā)生器后該葉片的功率明顯提升，如圖4所示，其不同風(fēng)速的發(fā)電量增加如表1所示，風(fēng)速越高增加值越大。

圖4 加裝渦流發(fā)生器前后的功率分布圖Fig.4 Electrictity distribution before and after installing vortex generator

表1 加裝渦流發(fā)生器前后的功率對(duì)比Tab.1 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

續(xù)表1Tab.1 Continued

2.3 加裝渦流發(fā)生器前后的年發(fā)電量對(duì)比

如不對(duì)機(jī)組的控制器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，那么加裝渦流發(fā)生器后，不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的年發(fā)電量大幅提升，如圖 5所示，年平均風(fēng)速?gòu)?5.5m/s加大到 10m/s時(shí)，年發(fā)電量提升40%以上。

圖5 加裝渦流發(fā)生器前后的年發(fā)電量Fig.5 Comparison of annual power generationbefore and after installing vortex generator

如對(duì) 93機(jī)組的控制策略進(jìn)行調(diào)整，使葉片在進(jìn)入功率不增的區(qū)域前提前變槳，減小攻角，使葉片的翼型的升力系數(shù)進(jìn)入線性區(qū)間，則功率不增區(qū)域消失。此種情況仍然沒有加裝渦流發(fā)生器的功率及年發(fā)電量高，如圖6、7所示。

圖6 加裝渦流發(fā)生前后的電功率對(duì)比Fig.6 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

圖7 加裝渦流發(fā)生器與機(jī)組提前變槳的年發(fā)電量對(duì)比Fig.7 Comparison of annual power generation to installing vortex generator and pitching in advance of wind turbine

3 不同外形葉片加裝渦流發(fā)生器后氣動(dòng)性能對(duì)比

不同外形的葉片加裝渦流發(fā)生器后葉片的增功效果有所不同，影響其提升效果的主要參數(shù)包括葉片的尖速比、葉片的額定風(fēng)速，這些參數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致葉片在較低空氣密度下運(yùn)行時(shí)翼型的攻角大不相同。渦流發(fā)生器使原有翼型的失速攻角推遲，最大升力系數(shù)增加，即在線性區(qū)間段內(nèi)攻角越大，增功效果越明顯(可參見圖2)。

表2和圖8、9分別列出了空氣密度為0.9kg/m3時(shí)兩款機(jī)型對(duì)應(yīng)葉片的氣動(dòng)性能參數(shù)。從表2可以看出，兩款葉片的尖速比相差較大，額定風(fēng)速也有所不同，93機(jī)組葉片的翼型實(shí)際攻角比87機(jī)組大，因此，較低空氣密度時(shí)，93機(jī)組更容易出現(xiàn)功率提升緩慢(或不增)的一個(gè)過渡區(qū)(圖 9)，而 87機(jī)組未出現(xiàn)此過渡區(qū)(圖8)。

表2 87機(jī)組和93機(jī)組葉片參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of blade parameter on 87 and 93 wind turbine

圖8 87機(jī)組葉片加裝渦流發(fā)生器前后功率分布圖Fig.8 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 87 wind turbine

圖9 93機(jī)組葉片加裝渦流發(fā)生器前后功率分布圖Fig.9 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 93 wind turbine

從圖 10可以看出，87機(jī)組和 93機(jī)組葉片在加裝渦流發(fā)生器后年發(fā)電量都有所提升，不同年平均風(fēng)速下，93機(jī)組葉片的年發(fā)電增加更多，比 87機(jī)組葉片增加約 1%。這是因?yàn)?93機(jī)組葉片加裝渦流發(fā)生器位置處翼型的升力系數(shù)增加更多。

圖10 87和93機(jī)組葉片加裝渦流發(fā)生器后發(fā)電量提升分布Fig.10 Increasing annual power production distribution before and after installing vortex generator on 93 and wind turbine

4 結(jié) 論

通過以上討論分析可以看出，較低空氣密度下葉片額定風(fēng)速越大，加裝渦流發(fā)生器后的增功效果越明顯，適合加裝渦流發(fā)生器的葉片有如下幾種情況:①變槳葉片。低空氣密度下，葉片的額定風(fēng)速比設(shè)計(jì)工況高，在額定風(fēng)速附近葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器后可避免葉片失速，增加年發(fā)電量。葉片氣動(dòng)性能不佳，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速不能匹配時(shí)，葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器有助于改善葉片的氣動(dòng)性能，增加發(fā)電量。②定槳葉片。定槳葉片的額定風(fēng)速較大，葉片的攻角較大，可以加裝渦流發(fā)生器，增功效果顯著。

需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是渦流發(fā)生器作為葉片的一部分，一旦被應(yīng)用將陪伴葉片使用終身，它的選材及安裝方式的可靠性也是值得關(guān)注和推敲的。