基于相似理論的1.5MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模型的設(shè)計

陳松利 李 明 萬大千

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018）

隨著氣候條件的惡化和潔凈能源開發(fā)和利用，促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展,甘肅、新疆及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是我國風(fēng)資源最豐富的地區(qū)之一，我國大型風(fēng)電場主要分布在這些區(qū)域，這些地區(qū)也是沙塵暴高能活動區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中運行時會受到挾沙風(fēng)的沖蝕，導(dǎo)致前緣涂層遭受破壞，難以保持良好的氣動外形，影響發(fā)電量，并且降低了葉片使用壽命，同時也增加了葉片的維護(hù)成本[1-2]。

因此，其研究主要集中在對風(fēng)沙環(huán)境中對葉片的沖蝕問題。為了全面掌握大風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中沖蝕磨損情況及對翼型氣動性能變化規(guī)律和機(jī)理，需要設(shè)計大型風(fēng)力機(jī)葉片相似模型，進(jìn)行測試試驗，為開發(fā)適合高風(fēng)沙惡劣環(huán)境下葉片翼型設(shè)計提供一定依據(jù)。

1 相似理論

由流體力學(xué)相似原理可知，當(dāng)幾何相似和物理相似均可滿足的條件下，兩個流動的若干無量綱數(shù)只要對應(yīng)相等，則可保證二者相似[3-5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗?zāi)Ｐ腿~輪與原型機(jī)組相似是指在模型機(jī)葉輪試驗過程中，當(dāng)空氣流經(jīng)模型葉輪時與原型機(jī)葉輪流動相似，其空氣的能量傳遞過程與原型機(jī)也相似。

2 風(fēng)力機(jī)相似條件

風(fēng)力機(jī)相似條件的推導(dǎo)，先做如下假設(shè)：

V1、V1m——風(fēng)力機(jī)實物與模型前方來流風(fēng)速；

V2、V2m——風(fēng)力機(jī)實物與模型的下游風(fēng)速；

V、Vm——風(fēng)力機(jī)實物與模型的風(fēng)速；

U1、U1m——風(fēng)力機(jī)實物與相似模型葉片葉尖處的圓周速度；

U、Um——風(fēng)力機(jī)實物與相似模型葉片某半徑處的圓周速度。

如果實物和模型相似，則存在以下關(guān)系式：

由上式可得出：

設(shè)r 為風(fēng)力機(jī)實物任意半徑；rm為模型任意半徑；I 風(fēng)力機(jī)實物任意半徑處葉素的傾角；Im為模型任意半徑處葉素的傾角，則：

而

根據(jù)式（4）（5）（6）則有：

式（1）（2）（7）說明：

（1）相似模型和原型機(jī)風(fēng)輪各對應(yīng)出的葉素傾角相等；

（2）如果忽略葉素表面粗糙度的影響和雷諾數(shù)的影響，則實物和模型的葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)也相等。

（3）相似模型與實物葉片具有方向相同，大小對應(yīng)成比例的受力條件。

3 1.5MW 葉片模型設(shè)計

3.1 相似模型

由于目前風(fēng)電場服役的主流機(jī)型以1.5MW 發(fā)電機(jī)組為主，因此，本次研究對象原型為1.5MW 機(jī)組，對該機(jī)組葉片進(jìn)行風(fēng)沙環(huán)境下沖蝕磨損試驗。

由于葉片外形尺寸限制，根據(jù)目前現(xiàn)有的實驗條件很難實現(xiàn)，因此，設(shè)計并加工一個與1.5MW 葉片具有氣動外形相似、結(jié)構(gòu)簡單的模型葉片，用來進(jìn)行風(fēng)沙環(huán)境下沖蝕磨損試驗研究是十分必要的。

相似模型，是指將某種物理現(xiàn)象的長度、時間、力、速度等縮小或擴(kuò)大來進(jìn)行實驗的裝置，它和不滿足這種條件的模型，科學(xué)意義大不相同[6-8]。

設(shè)計相似模型的目的是要用模型實驗來模擬并代替原型實驗。

對于1.5MW 風(fēng)力機(jī)葉片相似模型來說，就是希望用原型葉片的相似模型進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕磨損實驗，來模擬原型葉片的實驗，得到原型葉片前緣實際在風(fēng)場中受風(fēng)沙磨損情況。

3.2 1.5MW 葉片相似模型的設(shè)計

根據(jù)實驗條件，模型葉片的實驗采用100W 發(fā)電機(jī)和相應(yīng)裝置。

由幾何相似定義，在進(jìn)行葉片模型設(shè)計時，只要保證葉片模型的邊長與風(fēng)場原型機(jī)葉片對應(yīng)邊長比例系數(shù)按同一尺度選取。

根據(jù)：

就可以得到模型的對應(yīng)邊長。

式中，kl- 尺度比例系數(shù)；lp- 原型葉片長度，m；lm- 模型對應(yīng)葉片長度，m。

取尺度比例系數(shù)kl=1/38.5，葉片半徑、弦長、厚度都按此比例系數(shù)縮小后成為1.5MW 模型葉片的外形，模型葉片長度為0.82m[8-11]。

根據(jù)葉片模型設(shè)計及葉片展向方向布置，選取NREL-S813、NREL-S814、NREL-S830、NREL-S831、和NREL-S 832 5 種翼型[7]。

3.3 1.5MW 葉片相似模型制作

根據(jù)1.5MW 模型葉片各截面設(shè)計參數(shù)加工制作作為試驗用葉片。

由于現(xiàn)有大風(fēng)機(jī)葉片普遍使用的環(huán)氧樹脂- 玻璃纖維復(fù)合材料，1.5MW 試驗用葉片模型基材仍然選用環(huán)氧樹脂- 玻璃纖維復(fù)合材料，在實驗室手工鋪放制作，再按照葉片的涂層工藝進(jìn)行聚氨酯噴涂，涂層厚度控制在1mm，1.5MW 模型葉片如圖1 所示。

圖1 1.5MW 試驗用模型葉片

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步研究大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中沖蝕磨損機(jī)理，為研發(fā)適合高風(fēng)沙惡劣環(huán)境下的葉片提供一定的理論依據(jù)，本文以1.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機(jī)為原型機(jī)，利用相似理論設(shè)計了1.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機(jī)葉片模型作為試驗葉片，模型葉片的實驗采用100W 發(fā)電機(jī)和相應(yīng)裝置，通過測試分析，該葉片模型能夠滿足試驗需要。