風(fēng)力發(fā)電葉片加長改造分析及研究

黃有慧，楊瑞志

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，隨著國內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)的快速發(fā)展，新機(jī)型不斷出現(xiàn)，通過加大風(fēng)輪葉片長度來增加掃風(fēng)面積，增加低風(fēng)速下的發(fā)電效率，已經(jīng)成為風(fēng)電行業(yè)當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于葉片廠家來說，如何在原有型號(hào)葉片模具上進(jìn)行改造加長，更新加長產(chǎn)品成為關(guān)鍵[1]。對(duì)于業(yè)主已經(jīng)投運(yùn)的風(fēng)機(jī)，如何在高空進(jìn)行葉片加長改造，提高低風(fēng)速發(fā)電效率成為重點(diǎn)。如何對(duì)老型號(hào)葉片進(jìn)行有效的改造尤為重要，葉片加長改造不但要保證葉片本身運(yùn)行的安全性，還要保證風(fēng)電機(jī)組在葉片加長、加重之后的承載能力[2]。本文主要針對(duì)不同的方式改變或加長 1.5MW 葉片后相關(guān)參數(shù)的變化進(jìn)行對(duì)比分析及研究。

1 氣動(dòng)外型研究

1.5 MW葉片加長包括3種方案：將43.5m的葉片葉根增長2m，得到45.5m 葉片；將43.5m的葉片葉尖增長2m，得到45.5m葉片；將45.5m葉片的葉根節(jié)圓直徑由 2110mm改為 1800mm，用于1.5MW機(jī)組。本文分別按照這3種方案對(duì)葉片進(jìn)行改造，并對(duì)改造后葉片參數(shù)變化進(jìn)行分析。

1.1 方案1：43.5m葉片葉根加長

將43.5m葉片在最大弦長位置(8m)分為2段，見圖 1。將 8～43.5m 段朝葉尖方向平移 2m，則原8m位置成為新葉片的10m位置；0～8m段不變，然后將 8～10m段補(bǔ)完整，保證與原葉片光滑過渡。相對(duì)厚度、扭角、變槳軸等參數(shù)基本不變。

圖1 方案1葉片弦長與43.5m葉片弦長對(duì)比Fig.1 Comparison of chord length between scheme 1 and 43.5m blade

1.2 方案2：43.5 m葉片葉尖加長

保持 43.5m葉片的 0～39m段不變，將葉片加長至 45.5m，見圖 2。以葉尖為基準(zhǔn)，對(duì)比 3種葉片的弦長，見圖3，本方案的弦長比45.5m小。

圖2 方案2葉片弦長與43.5m 葉片弦長對(duì)比Fig.2 Comparison of chord length between scheme 2 and 43.5m blade

圖3 以葉尖為基準(zhǔn)方案1、2葉片弦長與43.m弦長對(duì)比Fig.3 Comparison of tip chord length between schemes 1, 2 and 43.5m blade

1.3 方案3：45.5 m葉片葉根外徑修改

修改45.5m葉片 0～8m弦長分布，將葉根圓柱段節(jié)圓直徑由 2110mm 改為 1800mm，與 1.5MW機(jī)組匹配，見圖 4，8m 以上位置弦長不變。相對(duì)厚度、扭角、變槳軸等做局部調(diào)整，保證葉根幾何外形光順。

圖4 方案3葉片弦長與 45.5m 葉片弦長對(duì)比Fig.4 Comparison of chord length between scheme 3 and 45.5m blade

2 氣動(dòng)性能分析

分別計(jì)算3種加長方案葉片以及43.5m葉片的氣動(dòng)性能(表1)，其中Cp考慮了仰角和錐角，年發(fā)電量按照Ⅲ類風(fēng)區(qū)，可用率為95%(考慮了損失)。

表1 氣動(dòng)性能對(duì)比Tab.1 Aerodynamic performance comparison

3 重量與載荷分析

3.1 重量

葉片加長和修改時(shí)，假定原鋪層方案不變，對(duì)43.5m葉片只增加 2m段的重量，對(duì) 45.5m葉片按弦長減小比例、減少重量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算葉片重量(表2)。由于43.5m葉片、葉根段表面積大于葉尖段，8m位置的質(zhì)量線密度為葉尖區(qū)域的5倍以上，方案1增加的重量預(yù)計(jì)為方案2增加重量的5倍左右。

表2 葉片重量估算Tab.2 Estimation of blade weight

3.2 載荷

由于葉片的結(jié)構(gòu)無法確定，只計(jì)算了葉片穩(wěn)態(tài)運(yùn)行載荷(表3)。

表3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行載荷計(jì)算Tab.3 Calculation of steady-state operating load

4 總 結(jié)

3種方案的葉片弦長見圖 5，葉片技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表4，可以得出如下結(jié)論。

①方案3的弦長最大，因此穩(wěn)態(tài)葉根載荷和重量也最大，年發(fā)電量比方案1和方案2僅多4萬kW·h。相比改造成本和技術(shù)要求都高，因此不建議選用方案3。

②雖然方案1比方案2的Cp-max小，但是弦長大，所以這2種方案的發(fā)電量相當(dāng)，均比43.5m葉片大25萬kW·h?？紤]到方案2的弦長小，穩(wěn)態(tài)葉根載荷和重量最小，相比改造成本和技術(shù)要求都低。

圖5 各種方案葉片弦長對(duì)比Fig.5 Comparison of chord length

表4 各種方案葉片技術(shù)參數(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of blade technical parameters

由以上結(jié)論可以看出，風(fēng)電葉片加長改造的最優(yōu)方式應(yīng)為加長葉尖。加長葉尖相比原葉片弦長變化最小，同時(shí)相對(duì)的穩(wěn)態(tài)葉根載荷和重量也最小，因此葉尖加長改造相對(duì)容易，成本也最低[3]。另外，從改造后的效率和發(fā)電量上看差距也并不明顯，全年發(fā)電對(duì)比相差在 0.1%以內(nèi)，改造后的經(jīng)濟(jì)效益同樣能達(dá)到最優(yōu)[4]。