基于效率提升的風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

李劍

（天津市津能風(fēng)電有限責(zé)任公司，天津 300480）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，開發(fā)能源的綠色和環(huán)保性能備受矚目，各國政府都在不斷提倡新環(huán)保能源的開發(fā)和使用。風(fēng)力發(fā)電因其自身的發(fā)展優(yōu)勢(shì)在可再生新型能源的技術(shù)開發(fā)中居于重要地位，風(fēng)力發(fā)電得到有效推廣并具有良好的發(fā)展前景。風(fēng)力機(jī)葉片作為發(fā)電機(jī)的重要組件，其投入的成本占風(fēng)機(jī)組總成本的20%以上，其高機(jī)械性能和運(yùn)轉(zhuǎn)能力是風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行的重要保障。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，身處于復(fù)雜的地理環(huán)境中，容易產(chǎn)生疲勞破壞和多種降低風(fēng)力發(fā)電效率的負(fù)面影響因素[1]。為達(dá)到提高風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)性能、降低成本和提升風(fēng)機(jī)葉片的功率的目的，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有必要性。

1 風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中提出通過可以葉尖延長、安裝格林襟翼和渦流發(fā)生器等方法來提升葉片性能的方法，文章在綜合考慮風(fēng)電機(jī)組葉片原始設(shè)計(jì)缺陷、風(fēng)場(chǎng)資源和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等因素，采用增加渦流發(fā)生器和擾流板的組合裝置來提高電機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)功率。現(xiàn)有研究表明，安裝渦流發(fā)生器和擾流板能夠提高電能產(chǎn)量在2%～3%左右。增加了擾流板，主動(dòng)改變了翼型形狀，當(dāng)?shù)亟孛嫘螤罡淖兒?，增加其升力系?shù)和升阻比。渦流發(fā)生器主要是對(duì)吸力面一側(cè)的流體進(jìn)行擾流，通過改變升力系數(shù)來提高其運(yùn)行效率。

1.1 渦流發(fā)生器優(yōu)化設(shè)計(jì)

渦流發(fā)生器是以一固定安裝角垂直布置在風(fēng)力機(jī)葉片表面的擾流器。通過與來流相互作用，利用其產(chǎn)生的翼尖渦實(shí)現(xiàn)層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩，達(dá)到增升減阻的目的，提高升阻比和發(fā)電效率。葉片渦流發(fā)生器主要是對(duì)吸力面一側(cè)的流體進(jìn)行擾流，在吸力面出現(xiàn)流體分離時(shí)，增加吸力面位置的速度，速度增加，吸力面壓強(qiáng)減小，兩側(cè)壓強(qiáng)差△P增大，葉片表面受力增加，導(dǎo)致做功總量和功率均增大。當(dāng)渦流發(fā)生器安裝在葉根設(shè)計(jì)攻角大、陣風(fēng)或者湍流強(qiáng)度較大和葉片表面存有污垢時(shí)其增功優(yōu)勢(shì)較為明顯。

渦流發(fā)生器是一些小的改性ASA材質(zhì)的三角翅片。翅片相互之間有一定方向角度排列。拼裝長度根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際出力不足的彌補(bǔ)量進(jìn)行取舍，一般為葉片長度的25%～55%。用進(jìn)口防脫落異類物質(zhì)連接膠水將其安裝在葉片背風(fēng)側(cè)靠近葉片根部的入流端。

1.2 擾流板優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉片擾流板主動(dòng)改變風(fēng)機(jī)葉片的形狀設(shè)計(jì)，主要為彌補(bǔ)葉根部區(qū)域整體出力較小帶來的設(shè)計(jì)缺陷。在安裝擾流板后，吸力面的流速有了較高提升，吸力面壓強(qiáng)減小，壓力面的流速減小導(dǎo)致壓力面壓強(qiáng)增加，葉片表面的壓強(qiáng)差增加，葉片表面受力增加，做功增加，功率提高。如圖1所示（橫坐標(biāo)代表翼型弧線長度，即弦線位置，縱坐標(biāo)代表了壓強(qiáng)值），增加擾流板后，壓力面的壓強(qiáng)增加，即紅色面積大于藍(lán)色面積，圖2顯示吸力面的壓強(qiáng)出現(xiàn)減小，即紅色的面積大于藍(lán)色的面積，最終由于壓強(qiáng)差的作用，產(chǎn)生了升力系數(shù)的改變，增加其升力系數(shù)和升阻比。擾流板引起的升力系數(shù)的增加不分區(qū)域，即引起了所有運(yùn)行段升力系數(shù)的增加，大幅增加當(dāng)?shù)亟孛娴氖芰?，增加發(fā)電量[2]。

圖1 增加擾流板后，壓力面壓強(qiáng)系數(shù)

圖2 增加擾流板后，吸力面壓強(qiáng)系數(shù)

在實(shí)際中，增加渦流發(fā)生器和擾流板的增功方案操作簡單，利用膠質(zhì)物實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)物的粘結(jié)即可，載荷影響較小，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生破壞性影響，安裝后的增功翼型如圖3和圖4所示。在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行渦流發(fā)生器和擾流板的增加設(shè)計(jì)方案中，首先對(duì)葉片進(jìn)行三維流動(dòng)分析，確定軸向安裝位置和葉片表面流動(dòng)分離點(diǎn)。計(jì)算原始翼型性能，確定渦流發(fā)生器和擾流板的安裝位置和間距后，對(duì)帶增功物件的葉片翼型性能進(jìn)行測(cè)算。在翼型性能和發(fā)電量、載荷等滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，確定風(fēng)機(jī)葉片增功物件的最佳位置。

圖3 VG安裝整體效果圖

圖4 擾流板安裝整體效果圖

2 風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)

為了研究優(yōu)化設(shè)計(jì)后的風(fēng)機(jī)葉片效率的變化，選取并設(shè)置安裝機(jī)組與非安裝機(jī)組做參照和對(duì)比，采集兩者在安裝前和安裝后一定時(shí)期內(nèi)的風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和功率的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)異常和偏差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行剔除，擬合功率曲線，得到發(fā)電量變化的評(píng)估數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化方案，選擇某一風(fēng)電場(chǎng)的三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該場(chǎng)地沒有易滑物，能見度較高，風(fēng)速≤8m/s，選擇1號(hào)和2號(hào)機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。其中1號(hào)機(jī)組未進(jìn)行任何操作，2號(hào)機(jī)組為技改機(jī)組。

2.1 技改前后1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的功率對(duì)比

首先對(duì)1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的功率進(jìn)行對(duì)比，其中主要風(fēng)速段的功率均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，在部分高風(fēng)速段機(jī)組功率有所下降，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 技改前機(jī)組1號(hào)（紅）和2（藍(lán)）號(hào)功率對(duì)比

圖6 技改后1號(hào)（紅）和2（藍(lán)）號(hào)功率對(duì)比

圖7 機(jī)組2號(hào)功率改變量（正為增加、負(fù)為減?。?/p>

根據(jù)技改前后的1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組功率變化對(duì)比，可以看出1號(hào)機(jī)組的在不同風(fēng)速段的功率明顯高于2號(hào)機(jī)組，兩個(gè)機(jī)組的功率差別較大。通過在對(duì)2號(hào)機(jī)組改裝設(shè)計(jì)后，2號(hào)機(jī)組的功率得到明顯提升，與1號(hào)機(jī)組的功率差變小。綜合來看，整體風(fēng)速段的功率都是增加的，部分高風(fēng)速段的功率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[3]。

2.2 兩個(gè)機(jī)組功率綜合對(duì)比結(jié)果

通過1號(hào)和2號(hào)機(jī)組在不同風(fēng)速段的功率變化綜合對(duì)比，可以看出經(jīng)過增加增功附件的2號(hào)機(jī)組較之前未增加增功附件的功率有了較明顯的提高，在主要風(fēng)速段的功率均為增加的狀態(tài)。

根據(jù)2號(hào)機(jī)位安裝增功附件前后發(fā)電效率對(duì)比，統(tǒng)計(jì)安裝渦流發(fā)生器和擾流板后的機(jī)組在不同風(fēng)速段的年發(fā)電量的增加量，從表1中可以看出優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)年發(fā)電量都體現(xiàn)不同程度的增加，經(jīng)過分析增功發(fā)電量約2.3%。在風(fēng)速為7.1m/s的年發(fā)電增加量最大，在部分風(fēng)速段發(fā)電量呈下降狀態(tài)，可能受風(fēng)機(jī)發(fā)電過程中風(fēng)機(jī)器件的老化或受損期間未及時(shí)更換帶來的影響。

表1 技改后機(jī)組K86號(hào)年發(fā)電量變化情況

3 結(jié)語

在資源短缺，新能源備受關(guān)注和發(fā)展迅速的當(dāng)今社會(huì)，風(fēng)力發(fā)電成為很多國家推動(dòng)新能源發(fā)電的方式。風(fēng)機(jī)葉片作為提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的重要部件，其設(shè)計(jì)性能對(duì)風(fēng)機(jī)效率影響很大。通過增加渦流發(fā)生器和擾流板等增功部件方式優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉片，在遵循簡單易行的原則上，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)后的方案，顯示增加增功部件的風(fēng)機(jī)在主要風(fēng)速段的效率得到明顯提升，帶來風(fēng)機(jī)葉片效率提升的目的，為企業(yè)風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化提供新的思路。