小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機組的葉片優(yōu)化研究

華子深，王 前，鐘 婷，周圣蘭

(蘇州大學(xué)文正學(xué)院，蘇州 215104)

0 引言

風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，其是由太陽輻射熱引起的。太陽光照射到地球表面，地球表面各處因受熱不同，產(chǎn)生溫差，引起大氣對流運動，從而形成風(fēng)[1]。隨著能源危機及環(huán)境污染問題日益嚴重，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在世界范圍內(nèi)受到了越來越多的關(guān)注，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展與風(fēng)電機組性能的提升息息相關(guān)，而葉片是風(fēng)電機組的核心部件之一[2-3]，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機組高效穩(wěn)定運行的決定性因素。風(fēng)電機組通過葉片捕獲風(fēng)能，因此，葉片的風(fēng)能利用率會直接影響風(fēng)電機組的輸出功率。理想狀況下，風(fēng)電機組葉片利用風(fēng)能的極限稱為貝茲極限，即風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，但目前的風(fēng)能利用系數(shù)還遠未達到該值。因此，提高葉片的風(fēng)能利用系數(shù)一直是風(fēng)電機組研究中的重點[4]。

中國對于風(fēng)電機組的研究大多是以大型風(fēng)電機組為主，針對小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機組的研究相對較少。相較于大型風(fēng)電機組，小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機組具有占地面積小、成本低、低風(fēng)速條件下可較好地輸出功率等優(yōu)點，在風(fēng)光互補路燈、城市景觀和作為學(xué)校實驗教學(xué)器材等方面有較為廣泛的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟價值和社會價值?；诖?，本文通過多功能風(fēng)力發(fā)電實驗臺，針對小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機組的葉片優(yōu)化進行了實驗研究，以期為該類風(fēng)電機組葉片的設(shè)計與生產(chǎn)提供參考。

1 實驗臺介紹

實驗臺使用杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn)的型號為HZDH DH-WP-1的多功能風(fēng)力發(fā)電實驗臺，主要由風(fēng)電機組、風(fēng)源、導(dǎo)軌、風(fēng)速儀、電壓表和電流表組成，具體如圖1所示。其中：風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑為269 mm，葉片采用三葉片，輪轂高度為153.5 mm；風(fēng)源采用型號為YWF4E-250、功率為50 W、風(fēng)量為1250 m3/h、轉(zhuǎn)速為1450 r/min、風(fēng)壓為60 Pa的風(fēng)扇；風(fēng)速儀的量程范圍為0～45 m/s，精準度為±3%，解析度為0.1 m/s。

圖1 多功能風(fēng)力發(fā)電實驗臺的組成Fig. 1 Composition of multifunctional wind power test bench

2 實驗設(shè)計

在風(fēng)電機組葉片翼型優(yōu)化設(shè)計過程中，關(guān)鍵問題是應(yīng)通過優(yōu)化葉片翼型及葉輪形狀來滿足最佳設(shè)計要求，而不是通過選擇每一個截面最佳的葉片翼型氣動特性來達到最可靠的動力輸出[5]。選擇合適的葉片翼型可以有效提高小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機組的輸出功率和穩(wěn)定性。本文從NACA-63系列翼型中選取了一個較適宜低風(fēng)速工況的翼型作為葉片的原始翼型，并在此基礎(chǔ)上對葉片進行優(yōu)化。

根據(jù)葉素－動量定理，對于一個葉片數(shù)為N、葉片半徑為R、葉片槳距角為β、葉素弦長為c的風(fēng)電機組，作用在風(fēng)輪平面半徑r處長度為dr的葉素上的轉(zhuǎn)矩dM可表示為：

式中：ρ為空氣密度；ω為相對速度；Ct為切向力系數(shù)。

由式(1)可知，作用在風(fēng)輪平面葉素上的轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪平面半徑及葉素弦長成正比。相較于拉長其他翼型截面的弦長，適當(dāng)拉長葉尖的弦長，可以更顯著地增加轉(zhuǎn)矩，從而提高葉片的性能。

雖然葉尖的弦長對葉片的整體性能具有顯著影響，但由于大型風(fēng)電機組的葉片長度相對較長，其轉(zhuǎn)動時的離心力較大，考慮到葉片的結(jié)構(gòu)強度等因素，在葉片實際設(shè)計過程中，葉尖弦長相對于其他翼型截面的弦長仍較短；而對于小尺寸低風(fēng)速的風(fēng)電機組而言，即使適當(dāng)拉長葉尖的弦長也可以很容易滿足葉片的結(jié)構(gòu)強度要求。

為了提高葉片性能，本研究拉長了葉尖弦長，但為了保證葉片面積不變，相應(yīng)地縮短了葉根弦長，由此得到優(yōu)化后的葉片。在保證葉片面積不變的情況下，通過改變?nèi)~尖和葉根的弦長，分析葉尖弦長的長度對葉片風(fēng)能利用率的影響。

借助Excel軟件，將葉片截面各點的坐標錄入SolidWorks軟件中，利用SolidWorks軟件調(diào)整坐標點后，分別建立了原始葉片和優(yōu)化后葉片的3D模型，分別如圖2、圖3所示。其中，原始葉片的葉尖弦長為13.50 mm，葉根弦長為33.75 mm；優(yōu)化后葉片的葉尖弦長和葉根弦長均為23.66 mm。

圖2 原始葉片的3D模型Fig. 2 3D model of original blade

圖3 優(yōu)化后葉片的3D模型Fig. 3 3D model of optimized blade

3 實驗結(jié)果分析

利用UP軟件，借助3D打印機分別打印出原始葉片和優(yōu)化后葉片，然后使用多功能風(fēng)力發(fā)電實驗臺對分別采用2種葉片時風(fēng)電機組的輸出功率進行測試；然后對計算結(jié)果進行整理后，利用Origin軟件作圖，得到不同葉片槳距角下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機組的輸出功率對比，具體如圖4所示。

圖4 不同葉片槳距角下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機組的輸出功率對比Fig. 4 Comparison of wind turbine power output at different blade pitch angles when using original blades and optimized blades respectively

從圖4可以看出：在風(fēng)速為5.43 m/s的工況下，當(dāng)風(fēng)電機組采用原始葉片時，其在葉片槳距角為14°時的輸出功率比其在葉片槳距角為18°時的輸出功率提高了146%；而當(dāng)風(fēng)電機組采用優(yōu)化后葉片時，其在葉片槳距角為14°時的輸出功率比其在葉片槳距角為18°時的輸出功率提高了180%。由此可知，當(dāng)風(fēng)速在4.83～5.43 m/s范圍內(nèi)時，隨著葉片槳距角的減小，風(fēng)電機組的輸出功率得到提高。因此，在葉片沒有失速的工況下，適當(dāng)減小風(fēng)電機組的葉片槳距角，可以較顯著地提高風(fēng)電機組的輸出功率。

在葉片槳距角為14°的工況下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機組的輸出功率對比如圖5所示。

圖5 在葉片槳距角為14°的工況下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機組的輸出功率對比Fig. 5 Comparison of wind turbine power output at the blade pitch angle of 14° when using original blades and optimized blades respectively

從圖5可以看出：當(dāng)葉片槳距角為14°時，在風(fēng)速為5.43 m/s的工況下，風(fēng)電機組采用優(yōu)化后葉片時的輸出功率比其采用原始葉片時的輸出功率提高了82%。

4 結(jié)論

本文選用NACA-63系列中較適宜低風(fēng)速工況的翼型作為葉片原始翼型，并在此基礎(chǔ)上對葉片的葉尖和葉根弦長進行了調(diào)整，得到了優(yōu)化后的葉片；然后對分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片的風(fēng)電機組輸出功率進行測試，測試結(jié)果顯示：在風(fēng)速為5.43 m/s的情況下，當(dāng)葉片槳距角為14°時，風(fēng)電機組采用優(yōu)化后葉片時的輸出功率比其采用原始葉片時的輸出功率提高了82%。