前緣保護膜對風電葉片翼型氣動性能的影響研究

文|毛曉娥，李成良，任旺

葉片是風力發(fā)電機組的主要部件之一，其氣動性能直接影響著風力發(fā)電機組的發(fā)電效率。由于葉片長期運行在惡劣的環(huán)境中，前緣極易出現(xiàn)腐蝕。隨著海上風電逐步發(fā)展，運行環(huán)境更為惡劣，葉片前緣更易發(fā)生腐蝕，這會導致葉片升力下降、阻力增加，進而使葉片氣動性能下降，影響發(fā)電性能。如果葉片前緣腐蝕得不到及時處理，隨著時間的推移腐蝕程度加劇，發(fā)電量不斷降低，最終會給風電運營商帶來巨大的經(jīng)濟損失。

為了保護葉片前緣，提高其使用壽命，應(yīng)采取一定的保護措施，目前常用的兩種方法為涂裝前緣保護漆與粘貼前緣保護膜。前緣保護膜有一定的厚度，在完成涂裝的葉片前緣粘貼保護膜，會改變?nèi)~片截面外形輪廓，進而改變截面翼型形狀，從而影響葉片的氣動性能。

因不同厚度與寬度的前緣保護膜對葉片截面輪廓的影響不同，即對轉(zhuǎn)化成標準翼型后的氣動性能影響也不同。本文將分別對目前常用前緣保護膜的厚度、寬度對翼型氣動性能的影響進行研究，以期找出厚度、寬度對翼型性能的影響規(guī)律。

圖1 轉(zhuǎn)換后的截面標準翼型幾何外形

前緣保護膜粘貼模擬

本文選取一款約60米長度的葉片進行研究。為了研究前緣保護膜對葉片氣動性能的影響，對葉片進行粘貼前緣保護膜模擬，然后將截面輪廓轉(zhuǎn)化為標準翼型進行氣動性能計算。本文僅對相對厚度18%與21%翼型截面粘貼前緣保護膜后的性能進行計算分析。18%與21%相對厚度處的葉片截面轉(zhuǎn)化成標準翼型后的幾何外形如圖1所示。

前緣保護膜寬度對翼型的影響

在本節(jié)確定前緣保護膜厚度為0.36mm，選取152mm、254mm、305mm三種寬度進行計算分析。計算采用了ECN針對風電機組翼型專門開發(fā)的程序RFoil。該程序在XFoil的基礎(chǔ)上對邊界層方程進行了修正，并考慮了由于旋轉(zhuǎn)導致的三維徑向流動效應(yīng)，對失速后性能的預測更加準確，廣泛用于風電機組翼型的氣動特性計算，并得到了大量驗證。

一、對氣動性能的影響

升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比是評價翼型性能的基本指標。圖2與圖3所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜寬度下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比性能對比。

對于18%相對厚度翼型，由圖2（a）可知，前緣保護膜寬度對翼型阻力系數(shù)的影響比升力系數(shù)大，進一步導致了升阻比的變化。隨著前緣保護膜寬度的增加，在一定的攻角范圍內(nèi)，阻力系數(shù)減小，但比沒有前緣保護膜翼型的阻力大；升力系數(shù)增加，但比沒有前緣保護膜翼型的升力系數(shù)小。由圖2（b）可知，最大升阻比隨著前緣保護膜寬度的增加而增加，且大于沒有前緣保護膜翼型的最大升阻比。

對于21%相對厚度翼型，由圖3（a）可知，前緣保護膜寬度對翼型阻力系數(shù)的影響比升力系數(shù)大。在一定的攻角范圍內(nèi)，寬度305mm的阻力系數(shù)較寬度254mm的小，寬度152mm的阻力系數(shù)最小，但均比沒有前緣保護膜翼型的阻力大；寬度305mm的升力系數(shù)比寬度254mm的大，寬度152mm的升力系數(shù)最大，但均比沒有前緣保護膜翼型的升力系數(shù)小。由圖3（b）可知，寬度152mm的最大升阻比較寬度254mm的大，寬度305mm的最大。

二、對邊界層參數(shù)影響

翼型邊界層參數(shù)主要包含壓力系數(shù)、摩擦力系數(shù)、邊界層位移厚度（以dst表示）、邊界層動量損失厚度（以tet表示）、H（dst與tet比值）。圖4與圖5所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜寬度下對邊界層參數(shù)影響情況的對比。

從圖4（a）－（d）均可看出，當X/c在0.1～0.2范圍附近時，每種寬度下前緣保護膜對應(yīng)翼型的邊界層參數(shù)曲線均有波動，波動位置為前緣保護膜粘貼結(jié)束的位置，可見該位置為發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置。前緣保護膜寬度為152mm、254mm、305mm時，轉(zhuǎn)捩位置X/c分別為0.09、0.16、0.21。

從圖4（a）（縱坐標軸上半部分表示吸力面，下半部分表示壓力面）可以看出，吸力面在X/c為0.09、0.16、0.21時有小的跳躍，壓力面在X/c為0.56時發(fā)生跳躍，這是由于轉(zhuǎn)捩的發(fā)生，流動由層流向湍流過渡的結(jié)果。

圖2 前緣保護膜寬度對18%相對厚度翼型氣動性能影響

圖3 前緣保護膜寬度對21%相對厚度翼型氣動性能影響

圖4 前緣保護膜寬度對18%相對厚度翼型邊界層參數(shù)影響

從圖4（b）可以看出，在前緣保護膜的結(jié)束位置發(fā)生了轉(zhuǎn)捩，這使得壁面剪應(yīng)力減小，但并未減小到0，因此沒有流動分離產(chǎn)生。

從圖4（c）可以看出，在后緣附近，吸力側(cè)由于正壓力梯度增加導致位移厚度增加，壓力側(cè)由于壓力梯度減小導致位移厚度減小。

從圖4（d）可以看出，X/c在0.1～0.2范圍附近時，三種寬度前緣保護膜對應(yīng)的H曲線均有波動，進一步說明了在波動位置有強制轉(zhuǎn)捩點的存在。

從圖5（a）－（d）均可看出，當X/c在0～0.2范圍附近、前緣保護膜寬度為152mm、254mm、305mm時，由于強制轉(zhuǎn)捩點的存在，前緣保護膜對應(yīng)翼型的邊界層參數(shù)曲線均有波動，波動位置X/c分別為0.06、0.11、0.13。

前緣保護膜厚度對翼型的影響

在本節(jié)確定前緣保護膜寬度為254mm，厚度選取0.36mm與1mm兩種規(guī)格進行計算分析。

一、對氣動性能的影響

圖6與圖7所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜厚度下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比性能對比。

對于18%相對厚度翼型，在前緣保護膜寬度一定時，由圖6（a）可知，在一定的攻角范圍內(nèi)，隨著前緣保護膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對阻力影響較大。由圖6（b）可知，隨著前緣保護膜厚度的增加，最大升阻比降低，且最大升阻比對應(yīng)的攻角減小。

圖5 前緣保護膜寬度對21%相對厚度翼型邊界層參數(shù)影響

圖6 前緣保護膜厚度對18%相對厚度翼型氣動性能影響

圖7 前緣保護膜厚度對21%相對厚度翼型氣動性能影響

對于21%相對厚度翼型，在前緣保護膜寬度一定時，由圖7（a）可知，在一定的攻角范圍內(nèi)，隨著前緣保護膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對阻力影響較大。由圖7（b）可知，隨著前緣保護膜厚度的增加，最大升阻比降低。

二、對邊界層參數(shù)影響

圖8與圖9所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜厚度下邊界層參數(shù)的對比。

從圖8（a）－（d）均可看出，當X/c在0.16附近時，由于強制轉(zhuǎn)捩點的存在，邊界層參數(shù)曲線均有波動，由于前緣保護膜寬度相同而厚度不同，導致發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置相同，而對邊界層參數(shù)的影響不同。

從圖9（a）－（d）均可看出，當X/c在0.10附近時，由于強制轉(zhuǎn)捩點的存在，邊界層參數(shù)曲線均有波動，由于前緣保護膜寬度相同而厚度不同，導致發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置相同，而對邊界層參數(shù)的影響不同。

總結(jié)

本文通過對葉片粘貼不同寬度和不同厚度的前緣保護膜進行模擬，再將粘貼有前緣保護膜的葉片截面輪廓轉(zhuǎn)化為標準翼型進行氣動性能計算。分析18%和21%相對厚度翼型的氣動性能與邊界層參數(shù)計算結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）在前緣保護膜厚度一定時，前緣保護膜寬度對翼型氣動性能的影響較小。

（2）在前緣保護膜寬度一定時，前緣保護膜厚度對翼型氣動性能的影響較大。

（3）通過翼型邊界層參數(shù)可知，在前緣保護膜邊緣位置發(fā)生了固定轉(zhuǎn)捩。