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

苗濤

摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了渦流發(fā)生器，以某風(fēng)場(chǎng)為例，探究了葉片的氣動(dòng)特性，以及加裝渦流發(fā)生器之后的葉片氣動(dòng)特性，探究了在不同外形葉片上加裝渦流發(fā)生器之后的氣動(dòng)性能對(duì)比。

關(guān)鍵詞：渦流發(fā)生器;風(fēng)力發(fā)電機(jī);葉片

前言

由于渦流發(fā)生器可以產(chǎn)生較高強(qiáng)度的葉尖渦，可以使翼型的氣動(dòng)性能得到有效改善，所以被廣泛應(yīng)用于航空界。伴隨相關(guān)研究人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步研究，業(yè)界也越來(lái)越重視在風(fēng)電葉片上應(yīng)用渦流發(fā)生器的探索。通過(guò)計(jì)算和研究相關(guān)的數(shù)據(jù)，確認(rèn)要提升2%左右的葉片年發(fā)電，不僅與渦流發(fā)生器的安裝位置、分布密度、幾何形狀等參數(shù)有直接聯(lián)系之外，還和葉片自身的氣動(dòng)性能關(guān)聯(lián)。因此，下文將針對(duì)渦流發(fā)生器在風(fēng)里發(fā)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用展開(kāi)分析探究。

1.渦流發(fā)生器簡(jiǎn)析

渦流發(fā)生器可以有效使邊界層所分離的氣動(dòng)附件得到抑制，在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)應(yīng)用到了渦流發(fā)生器，渦流發(fā)生器在現(xiàn)階段的航空領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用，而且應(yīng)用和發(fā)展正慢慢成熟化。在風(fēng)電葉片邊界層的分離控制中應(yīng)用渦流發(fā)生器具有良好的效果，為使抑制流動(dòng)分離得到實(shí)現(xiàn)，將葉片的輸出功率增加，需要在風(fēng)電葉片葉根到葉中區(qū)域的吸力面安全渦流發(fā)生器[1]。風(fēng)力機(jī)葉片性能會(huì)受到安裝渦流發(fā)生器的位置還有渦流發(fā)生器的形狀的影響，并且風(fēng)力葉片機(jī)的出功要想得到增加，就要嚴(yán)格按照渦流發(fā)生器的安全標(biāo)準(zhǔn)和安裝條件來(lái)進(jìn)行，確保連接葉片的強(qiáng)度達(dá)到相關(guān)的要求，同時(shí)還要選擇合適的渦流發(fā)生器材質(zhì)[2]。

優(yōu)化幾何特征的渦流發(fā)生器將通過(guò)開(kāi)展風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，并將在某個(gè)高海拔的風(fēng)場(chǎng)機(jī)組葉片上安裝渦流發(fā)生器，然后針對(duì)安裝上渦流發(fā)生器的葉片展開(kāi)評(píng)估，主要評(píng)估年發(fā)電量在安裝之前和之后的變化的，并且在評(píng)估結(jié)果中可以知道，要是只加裝渦流發(fā)生器之后不會(huì)有其他改變，可以提升4%左右的年發(fā)電量，要是調(diào)整控制整機(jī)的測(cè)量，還可以進(jìn)一步提高2%左右的年發(fā)電量[3]。

2.某風(fēng)場(chǎng)的葉片氣動(dòng)特性

此風(fēng)場(chǎng)的空氣密度不高，0.9kg/m3為實(shí)測(cè)值，空氣密度為1.236kg/m3的時(shí)候是設(shè)計(jì)狀態(tài)，葉片的額定風(fēng)速在這種狀態(tài)的時(shí)候可以得到提升，葉片各切面攻角也會(huì)得到相應(yīng)增加，在風(fēng)速為10.8m/s左右的時(shí)候，葉片的狀態(tài)屬于停滯不增，達(dá)到額定的風(fēng)速是在13m/s的時(shí)候，而葉片發(fā)電量損失嚴(yán)重在10.8—12m/s的風(fēng)速區(qū)間段。

3.加裝渦流發(fā)生器在葉片之后的葉片氣動(dòng)性能

有很多研究人員針對(duì)渦流發(fā)生器的幾何特征展開(kāi)了數(shù)值模擬試驗(yàn)，表面壓力的測(cè)試方法被Timmer等應(yīng)用，其將渦流發(fā)生器加裝在大型風(fēng)電葉片專(zhuān)用厚翼型DU97-W-300，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試研究可以知道氣動(dòng)特性在加裝渦流發(fā)生器之后有了變化，通過(guò)圖1可以知道，渦流發(fā)生器在葉片上得到加裝之后，失速攻角在很大程度上得到了延遲了，并且促使最大升力吸住提升，同時(shí)升阻比和翼型升力系數(shù)也有了變化，得到了相應(yīng)提高，再次技術(shù)上阻力也有所增加。

3.1性能在加裝渦流發(fā)生器之前和之后的對(duì)比

以葉片發(fā)電量損失情況為基礎(chǔ)，為了確保翼型最大的升力系數(shù)得到有效增加，保證擴(kuò)大升力系數(shù)的線性區(qū)間所具有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)合理的改善葉片的氣動(dòng)性能，需要在葉片上粘貼設(shè)計(jì)好的渦流發(fā)生器。當(dāng)葉片加裝了渦流發(fā)生器之后，圖2是曲線對(duì)比圖[4]。通過(guò)圖2可以知道，渦流發(fā)生器加裝完成之后，葉片在小尖速比大風(fēng)速區(qū)域的Cp值增加較為明顯，Cp的范圍得到擴(kuò)展，葉片對(duì)于大功角的敏感度有所降低，發(fā)電量得到增加。

3.2葉片在加裝渦流發(fā)生器前后的功率特性

加裝渦流發(fā)生器在該葉片之后，在一定程度上提高了葉片的功率，變化可以通過(guò)圖3看出，不同風(fēng)速發(fā)電量的增加情況在圖4得到說(shuō)明了，風(fēng)值要是越高，那么增加值也隨之變化。

3.3加裝渦流發(fā)生器之前和之后的年發(fā)電量變化對(duì)比

不同機(jī)組的控制器要是沒(méi)有得到相應(yīng)的調(diào)整，且調(diào)整不具備適當(dāng)性，即使渦流發(fā)生器在加裝完成之后，不同風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的年發(fā)電量會(huì)得到很大程度的提高。通過(guò)圖5可以知道，年平均風(fēng)速?gòu)?.4m/s提升到11m/s的時(shí)候，明顯提升了40%以上的年發(fā)電量[5]。

針對(duì)機(jī)組控制策略進(jìn)行完善與優(yōu)化，可以確保葉片在進(jìn)入到功率不增的區(qū)域之前，變槳可提前進(jìn)行，才能減小攻角，進(jìn)而保證在線性區(qū)間可以有葉片翼型升力吸住進(jìn)入，那么不增加功率的區(qū)域會(huì)消失。

4.對(duì)比不同外形葉片加裝渦流發(fā)生器之后的氣動(dòng)性能

加裝渦流發(fā)生器在不同外形的葉片上，葉片增功的效果也會(huì)不一樣，葉片額定風(fēng)速、葉片尖速比等相關(guān)的主要參數(shù)都會(huì)影響到葉片的提升效果，要是這些參數(shù)不一樣，那么就會(huì)造成葉片的運(yùn)行要是處于較低的空氣密度下，那么翼型的攻角也會(huì)具有較大差異性。原有的翼行失速角在渦流發(fā)生器的作用下得到推遲，最大升力系數(shù)得到明顯提升，線性區(qū)間段的內(nèi)攻角越大，那么增功效果也就會(huì)越明顯，增功效果隨著內(nèi)攻角的變化而變化。

圖6、圖7、圖8分別列出了兩款機(jī)型在0.9kg/m3空氣密度時(shí)候相應(yīng)的葉片的氣動(dòng)性能參數(shù)。并且通過(guò)圖7可以看出，兩款葉片的尖速比都不一樣，額定風(fēng)速也具有差異性，93機(jī)組葉片的翼型實(shí)際攻角相較于87機(jī)組的翼型實(shí)際攻角要大一些，所以，要是空氣密度較低的時(shí)候，93機(jī)組更容易有功率提升緩慢或者過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)，但是87機(jī)組沒(méi)有過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)。

從圖9可以看出，在加裝渦流發(fā)生器之后，有效提升了93機(jī)組葉片和87機(jī)組葉片的年發(fā)電量，但是在不同年平均風(fēng)速之下，年發(fā)電量增加更多一些的是93機(jī)組葉片，93機(jī)組葉片與87機(jī)組的葉片相比較來(lái)說(shuō)，增加了1%左右，主要由于在93機(jī)組葉片加裝渦流發(fā)生器位于翼型升力系數(shù)增加的的位置[6]。

此外，還分析了另外一個(gè)機(jī)組加裝渦流發(fā)生器前后的功率曲線對(duì)比，通過(guò)圖10可以知道，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速低于12m/s的時(shí)候，對(duì)于機(jī)組發(fā)電功率的營(yíng)銷(xiāo)不大，但是要是風(fēng)速高于12m/s，那么渦流發(fā)生器的作用就會(huì)特別明顯。

結(jié)束語(yǔ)

上文針對(duì)渦流發(fā)生器，還有葉片的氣動(dòng)特性，以及渦流發(fā)生器在得到加裝之后的葉片氣動(dòng)特性和不同外形葉片加裝渦流發(fā)生器之后的氣動(dòng)性能對(duì)比展開(kāi)了相關(guān)的分析探究。我們可以知道，當(dāng)額定風(fēng)速在較低空氣密度的情況下，葉片適合加裝渦流發(fā)生器的類(lèi)型有變槳葉片和定槳葉片。變槳葉片處于低空氣密度的時(shí)候，葉片的額定風(fēng)速相較于設(shè)計(jì)工況，前者的額定風(fēng)速要高一些，當(dāng)額定風(fēng)速附近有葉片的時(shí)候，會(huì)增加攻角，在完成渦流發(fā)生器的加裝之后，可在一定程度上避免葉片有失速問(wèn)題出現(xiàn)，進(jìn)而提高和增加年發(fā)電量。但是，要是葉片氣動(dòng)性能達(dá)不到目標(biāo)效果，轉(zhuǎn)速和風(fēng)速不具備適應(yīng)性，那么在此時(shí)葉片攻角會(huì)增大，為使葉片氣動(dòng)性能得到改善，同時(shí)增加發(fā)電量，需要進(jìn)行渦流發(fā)生器的加裝。而定槳葉片的額定風(fēng)速較大，葉片的攻角也相對(duì)較大，為了使增功效果得到突出，并且將提增功效果提升，可以通過(guò)加裝渦流發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，葉片的組成部分中也包括了渦流發(fā)生器，要是應(yīng)用了渦流發(fā)生器，務(wù)必要同葉片一起使用終生，所以，在選擇渦流發(fā)生器材料的時(shí)候，以及安裝渦流發(fā)生器的時(shí)候，也必須要嚴(yán)格控制。

參考文獻(xiàn)

[1]吳映芳， 趙春妮， 張立新. 渦流發(fā)生器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用[J]. 天津科技， 45（09）：82-85.

[2]何政洋. 渦流發(fā)生器參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性影響的數(shù)值模擬研究[D]. 重慶大學(xué).

[3]薛丁云. 風(fēng)電葉片及翼型安裝渦流發(fā)生器氣動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）， 2016.

[4]鄒立偉， 魏敏， 宋之燕. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 風(fēng)能（3）：80-82.

[5]趙磊， 房亞鵬. 一種應(yīng)用了榫卯結(jié)構(gòu)的風(fēng)電葉片渦流發(fā)生器：， CN205370867U[P].

[6]張華耀， 運(yùn)鴻， 桑玉虎. 一種渦流發(fā)生器及安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)電葉片：， CN205478093U[P].