風(fēng)機葉片氣動外形優(yōu)化設(shè)計和風(fēng)電場實測研究

金 月

（天津市津能風(fēng)電有限責任公司，天津 300480）

0 引言

為了減少不可再生能源的大量消耗帶來的環(huán)境污染和資源枯竭等一系列問題，積極響應(yīng)我國的“碳達峰、碳中和”目標，在追求可再生能源的技術(shù)發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用較為普遍，對緩解我國資源壓力起到了較為明顯的推動作用。

在風(fēng)力發(fā)電機效率提升的有關(guān)研究中，學(xué)者們曾提出通過延長風(fēng)機葉片葉尖、安裝格林襟翼和增加渦流發(fā)生器的方法來對風(fēng)機葉片進行改造優(yōu)化。作為發(fā)電機的核心零部件，機組葉片氣動性能的優(yōu)化設(shè)計會對風(fēng)電機組的應(yīng)用效率產(chǎn)生直接作用[1]。由于風(fēng)力發(fā)電機做功地理環(huán)境較為復(fù)雜，各種負面因素均會對風(fēng)力發(fā)電效率產(chǎn)生不利影響。為提高風(fēng)機的產(chǎn)出效率、降低成本支出和，對風(fēng)力發(fā)電機葉片的氣動性能進行優(yōu)化和設(shè)計具有重要意義。

1 風(fēng)機葉片相關(guān)參數(shù)和理論基礎(chǔ)

對風(fēng)機葉片優(yōu)化設(shè)計的目的是為提高風(fēng)機的運行能力和產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益。葉片作為風(fēng)機裝置的重要組成部分，承載著能量之間高效轉(zhuǎn)化樞紐的作用，風(fēng)機氣動外形的各個參數(shù)值對風(fēng)機葉片是否能獲取足夠的升力和充足的功率具有主要作用[2]。

在風(fēng)機葉片的表面，葉片表面壓強與環(huán)境中壓強不等，進而出現(xiàn)了壓強差，為了能體現(xiàn)葉片表面的壓強P 的分布狀態(tài)，引入了壓強系數(shù)Kp，壓強系數(shù)的表達式如公式（1）所示。

式中：P為風(fēng)機葉片表面壓強；P1為環(huán)境中的壓強；ρ為來流的流體密度；v為空氣的流速。

增大葉片的升力，降低葉片的阻力是提升風(fēng)機葉片功率的重要途徑。受氣流的影響，風(fēng)機的葉片上形成了一個氣動升力F，其可以分解為升力FL和阻力FD，如公式（2）～公式（4）所示。

式中：F、FL、FD分別為單位長度的氣動力、升力和阻力；CT、CL和CD分別為氣動力系數(shù)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

根據(jù)以上翼型氣動力、氣動升力和氣動阻力的關(guān)系式可得到氣動力系數(shù)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)，分別如公式（5）～公式（7）所示。

在氣流作用下，翼型升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD與葉片弦線與風(fēng)向的角度（攻角）α之間有一部分變化關(guān)系：在特定范圍內(nèi)，升力系數(shù)CL會隨攻角α的增加而線性增大。當攻角增加到某個特定的閾值，升力系數(shù)會達到最大值CLmax。如果攻角繼續(xù)增大，則升力系數(shù)CL會出現(xiàn)迅速降低的情況，且阻力系數(shù)CD會出現(xiàn)迅速增大趨勢，翼型出現(xiàn)失速狀態(tài)[3]。在失速狀態(tài)下，流體將不再貼附翼型表面流過，在上表面將發(fā)生邊界分離，前緣后部將出現(xiàn)渦流，導(dǎo)致風(fēng)機葉片震動和運行不穩(wěn)定。把渦流發(fā)生器設(shè)置在葉片上，能有效降低因葉根攻角太大而產(chǎn)生的失速風(fēng)險以及湍流或者陣風(fēng)力度過大造成葉片整體攻角變化幅度大帶來的發(fā)現(xiàn)效率下降的現(xiàn)象[4]。在風(fēng)機葉片的設(shè)計過程中需要注意升力系數(shù)和阻力系數(shù)之間關(guān)系失衡產(chǎn)生的風(fēng)機不穩(wěn)定和效率受阻的影響。

任意攻角下翼型升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD的比值稱為升阻比。升力使風(fēng)機獲得有效扭矩，阻力對風(fēng)輪形成正面壓力，為了提高風(fēng)機的作業(yè)效率，有必要提高葉片翼型的升阻比[5]。該文在對葉片設(shè)計中增加渦流發(fā)生器和擾流板就可以很好地利用該理論，提高葉片轉(zhuǎn)動升阻比，提升葉片做功能力和輸出效率。

伯努利方程是根據(jù)機械能守恒定律推導(dǎo)而出的，如公式（8）所示。

式中：p為壓強；ρ為氣流密度；v為氣流流速；h為高度；C為常量。

在翼型質(zhì)量很小的情況下，可以忽略質(zhì)量帶來的影響，此時在C 為常量的情況下，壓強越大，速度越??；壓強越小，速度越大，翼型上下出現(xiàn)壓強差。

2 風(fēng)機葉片優(yōu)化設(shè)計

在目前的風(fēng)機葉片相關(guān)設(shè)計中，部分學(xué)者提出可以通過延長風(fēng)機葉尖、安裝格林襟翼和渦流發(fā)生器等一系列途徑來提升葉片性能?？紤]風(fēng)場已有的能力、風(fēng)電機組葉片本身存在的設(shè)計不足以及可能的技術(shù)風(fēng)險等問題，該文采用增加渦流發(fā)生器和擾流板的組合裝置來提升風(fēng)電機組葉片的運行效率。根據(jù)已有文獻可以總結(jié)出安裝渦流發(fā)生器和擾流板可以把電能產(chǎn)量提升2%～3%。增加擾流板會使翼型發(fā)生變化，地截面外形也發(fā)生變化，升力系數(shù)和升阻比得以提升。安裝渦流發(fā)生器的作用是攪亂吸力面附著的流體，提高升力系數(shù)，進而提升作業(yè)功率[6]。

2.1 渦流發(fā)生器優(yōu)化設(shè)計

渦流發(fā)生器是以某個固定安裝角度垂直安裝在風(fēng)電機組葉片外部的擾流器。它所產(chǎn)生的葉尖渦與來流相互作用，可以實現(xiàn)從層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)折，以提高升力，降低阻力，進而提高升阻比和發(fā)電效率。

該文采用CFD 分析方法對風(fēng)機葉片進行仿真分析與設(shè)計，計算了在葉片弦向25%的位置安裝高度為20mm 渦流發(fā)生器前后的氣動特性，結(jié)果如圖1 所示。圖1 中分別展示了渦流發(fā)生器增加前和增加后隨著攻角變化升力系數(shù)的變化情況。在風(fēng)速有波動時，葉片弦線與風(fēng)向的角度（攻角）會發(fā)生變化，即攻角為12°時，翼型的升力系數(shù)由空心點變?yōu)楹谏c，升力系數(shù)值也由1.3 增加到1.8，增加幅度約40%。地截面的受力隨著升力系數(shù)的提高也出現(xiàn)了極大的增幅，進而提高了發(fā)電量。

圖1 增加渦流發(fā)生器前后升力系數(shù)對比

2.2 擾流板優(yōu)化設(shè)計

葉片擾流板的設(shè)計原理是通過優(yōu)化風(fēng)機葉片的形狀，來改善風(fēng)電機組葉片根端范圍出力不足產(chǎn)生的設(shè)計弱點。添放擾流板后，壓力面的壓強增大，吸力面的壓強降低，壓力面和吸力面壓強會發(fā)生不同程度的變化，進而影響葉片上的作用力。最后，升力系數(shù)和升阻比因壓強差的影響而得到提升。增加擾流板前后升力系數(shù)對例如圖2 所示。由圖2 可以看出，葉片的升力系數(shù)隨著攻角的增加而增加，攻角在13°時達到23.5%，而后急速下降，展現(xiàn)出了明顯的失速性能。攻角到達17°時趨于平緩，穩(wěn)定在15%左右。

圖2 增加擾流板前后升力系數(shù)對比

在實際操作時，增加渦流發(fā)生器和擾流板的設(shè)計方式實現(xiàn)起來比較容易，只需要用膠質(zhì)物黏合輕質(zhì)物和葉片就好，載荷變化很小，不會影響葉片的核心結(jié)構(gòu)。

3 風(fēng)機葉片優(yōu)化設(shè)計風(fēng)電場應(yīng)用實測

為了研究以上兩種方法的組合方案對風(fēng)機葉片效率的影響，該文選擇某一風(fēng)電場的兩個風(fēng)機組進行風(fēng)機葉片優(yōu)化設(shè)計試驗，將安裝了渦流發(fā)生器和擾流板的A 號機組和未進行改良的B 號機組進行對比，采集二者在一定時期內(nèi)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、運行功率等數(shù)據(jù)，剔除部分異常值，得出了運行功率的變化數(shù)據(jù)。

該文對機組A 號和機組B 號在不同風(fēng)速段的功率進行了對比，結(jié)果為整體出現(xiàn)了上升，部分高風(fēng)速段有所下降。

從設(shè)計改良前后的A、B 機組功率變化的比較中不難看出，B 號機組在不同風(fēng)速段的功率都顯著高于A 號機組，且兩個機組之間的功率相差較多。對A 號機組進行新方案改造設(shè)計，A 號機組的功率出現(xiàn)了顯著提高，A、B 兩機組之間的功率差減少。從以上現(xiàn)象可以得出，技改后整體風(fēng)速段的功率都在提高，而部分高風(fēng)速段的功率出現(xiàn)了下降。

機組A 號和機組B 號功率變化對例如圖3 所示。通過綜合比較A 號和B 號機組在不同風(fēng)速段的功率變化情況能夠得出，與以前沒有添加增功附件的A 號機組相比，技改后的A號機組的功率有了顯著提高，在主要風(fēng)速段功率都有所增加。

圖3 機組A 號和機組B 號功率變化對比圖

4 結(jié)論

為了達到對風(fēng)機葉片氣動外形進行優(yōu)化設(shè)計的目的，合理提升風(fēng)機葉片的產(chǎn)出效率，該文根據(jù)風(fēng)機葉片的相關(guān)參數(shù)和理論基礎(chǔ)，選擇在風(fēng)機葉片上增加渦流發(fā)生器和擾流板等增功部件的方式對其進行優(yōu)化設(shè)計，并將該優(yōu)化設(shè)計方案應(yīng)用于風(fēng)電場的兩臺機組，進行增功前后功率變化的實測對比。結(jié)果表明，通過增加增功附件可以有效提高風(fēng)機的功率，在主要風(fēng)速段提高效果較為明顯。同時注意控制方案實測中的相關(guān)因素以降低試驗誤差，為企業(yè)風(fēng)機葉片優(yōu)化提供了新的思路。