姜 悅， 喬玉軍， 羅 寬

（中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司， 北京 100092）

0 引言

在“十四五”規(guī)劃下，可再生能源電力將成為我國(guó)碳減排的主力。 基于“30·60 碳中和”目標(biāo)，可再生能源在未來(lái)新能源行業(yè)不再僅是補(bǔ)充和替代， 將成為能源供給側(cè)的主導(dǎo)，中短期內(nèi)仍然是一個(gè)確定性的市場(chǎng)，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。

更大單機(jī)容量、 更長(zhǎng)葉片成為今后風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)， 由此帶來(lái)的更低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)葉片局部的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，這對(duì)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)提出了新要求。擾流板作為一種有效的流動(dòng)控制方式逐漸用于改善葉片性能。

1 葉根擾流板

風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中葉根局部多處于深度失速流動(dòng)狀態(tài)，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的降低，這一流動(dòng)異常對(duì)葉片的影響更為嚴(yán)重。

根據(jù)下圖流動(dòng)顯示測(cè)量與CFD 模擬結(jié)果可知， 葉根區(qū)域的流動(dòng)較為復(fù)雜， 這對(duì)流動(dòng)附件的選擇和安裝提出了更高的要求。

圖1 葉根流動(dòng)可視化測(cè)量與CFD 計(jì)算結(jié)果[6]Fig.1 The visual test of the blade root

2 擾流板設(shè)計(jì)安裝

2.1 擾流板設(shè)計(jì)

對(duì)于擾流板，無(wú)論是出場(chǎng)前安裝還是風(fēng)場(chǎng)安裝，均需根據(jù)葉片及擾流板設(shè)計(jì)要求， 確認(rèn)擾流板尺寸及安裝位置與容差，見(jiàn)圖2。如何將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的安裝要求，成為了擾流板應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)。

圖2 擾流板安裝位置示意圖Fig.2 Location of spoiler

通常， 擾流板位于葉根且靠近尾緣區(qū)域， 需基于合模縫進(jìn)行弦向定位， 長(zhǎng)度方向分塊拼接。 有效高度為突出葉片表面的總高度。 在給定容差時(shí)需綜合考慮實(shí)際可實(shí)現(xiàn)性與設(shè)計(jì)一致性，使操作具有更高的可行性。

圖3 擾流板安裝局部示意圖Fig.3 Sketch of spoiler mounting area

擾流板為塑料或玻璃鋼預(yù)制品， 安裝前預(yù)制件需經(jīng)過(guò)尺寸確認(rèn)，否則可能會(huì)影響實(shí)際效果。

常規(guī)的關(guān)鍵參數(shù)為預(yù)制件的長(zhǎng)、寬、高、厚度及角度等，而角度是最難測(cè)量與控制的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 擾流板尺寸示意圖Fig.4 Sketch of spoiler dimensions

2.2 擾流版安裝

通過(guò)特定的柔性結(jié)構(gòu)膠，將擾流板與葉片相連接后，即完成擾流板安裝，見(jiàn)圖5。

圖5 擾流板安裝完畢Fig.5 Spoiler installed

對(duì)于安裝后的檢驗(yàn)，需按照相關(guān)圖紙要求，確認(rèn)是否處于容差范圍內(nèi)。 特別是安裝后的擾流板總高度，包含擾流板高度與結(jié)構(gòu)膠厚度。

3 擾流版關(guān)鍵影響參數(shù)

3.1 擾流板角度

在安裝過(guò)程中由于擾流板預(yù)制件為分塊拼接安裝，本身的變形、安裝誤差等因素的影響，較易發(fā)生局部擾流板安裝偏差， 常見(jiàn)較難控制的問(wèn)題為角度偏差，見(jiàn)圖6。

圖6 擾流板角度偏差示意Fig.6 Angular deviation of spoiler

根據(jù)不同位置的擾流板角度測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 擾流板角度偏差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Spoiler angle deviation statistics

由于葉根圓柱區(qū)域葉片表面曲率最大， 因此角度偏差最難控制， 考慮到最大影響氣動(dòng)性能范圍，分別選取整體擾流板區(qū)域均為最高發(fā)偏差5°與最大偏差7°的情況建模校核。

可將初始容差范圍確定為7°。 擾流板有效高度偏差小于1mm，最大偏差下，高度偏差為1.49mm，綜合考慮最大膠層厚度8mm， 總高度影響為4.75%。

3.2 關(guān)鍵截面氣動(dòng)性能影響

基于3.1 的擾流板角度綜合偏差進(jìn)行葉片關(guān)鍵截面的氣動(dòng)性能影響分析，作為葉片影響計(jì)算的輸入。

對(duì)于尾緣擾流板進(jìn)行了光順修行，便于計(jì)算。采用基于面元法的開(kāi)源Xfoil 開(kāi)展翼型氣動(dòng)性能計(jì)算，見(jiàn)圖7。

圖7 擾流板偏差等效模型Fig.7 Equivalent model of spoiler deflection

以截面翼型升力系數(shù)為例， 計(jì)算分析擾流板不同角度偏差的影響。

從圖8 可知，不同模型偏差對(duì)影響翼型的典型性能影響非常小，最大升力在5°偏差下減小約0.114%，在7°偏差下減小約0.2%。

圖8 模型偏差對(duì)截面翼型性能影響Fig.8 Effect of model deviation on sectional airfoil performance

3.3 葉片氣動(dòng)性能影響

根據(jù)偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果的最大影響邊界（7°）修改計(jì)算模型， 采用基于BEM理論的GH Bladed軟件進(jìn)行擾流版偏差前后的葉片氣動(dòng)性能影響的計(jì)算分析。

利用3.2 節(jié)擾流板偏差前后的截面氣動(dòng)參數(shù)作為輸入， 可以定量的分析偏差對(duì)整個(gè)葉片氣動(dòng)性能包括Cp，年發(fā)電量及靜態(tài)載荷的影響分析， 以期在較大范圍操作空間的基礎(chǔ)上，確認(rèn)合適的角度容差，見(jiàn)圖9。

圖9 偏差對(duì)葉片Cp 的影響Fig.9 Effect of model deviation on CP of Blade

功率系數(shù)曲線變化較小，最大功率系數(shù)Cpmax 在5°容差下減小約0.0017%在7°容差下減小約0.0035%。

在8m/s 風(fēng)速下對(duì)比對(duì)發(fā)電量的影響，年發(fā)電量在3°容差下減小約0.0004%在5°容差下減小約0.0015%。

圖10 偏差對(duì)葉片靜態(tài)載荷的影響Fig.10 Influence of deviation on blade static load

靜態(tài)My 在5°容差下減小約0.0013%在7°容差下減小約0.0031%，該偏差已遠(yuǎn)小于認(rèn)證偏差要求。 因此以7°偏差作為容差是滿足設(shè)計(jì)要求的。

4 結(jié)論

對(duì)葉片擾流板安裝過(guò)程中統(tǒng)計(jì)形成的偏差進(jìn)行等效建模分析，針對(duì)5°和7°的擾流板角度偏差，進(jìn)行關(guān)鍵影響截面翼型及葉片整體氣動(dòng)性能分析， 評(píng)估載荷與發(fā)電量的影響，最終明確工藝容差。

設(shè)定整體擾流板區(qū)域均有相應(yīng)的最大偏差， 評(píng)估結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）Cpmax 在5°容差下降低水平小于0.0017%，在7°容差下降低水平小于0.0035%；

（2）在8m/s 年平均風(fēng)速下，考慮不同容差影響，年發(fā)電量在5°容差下降低水平小于0.0004%， 在7°容差下降低水平小于0.0015%；

（3） 靜態(tài)My 在5°容差下降低水平小于0.0013%，在7°容差下降低水平小于0.0031%。

（4）7°可作為有效設(shè)計(jì)容差，在確保擾流板設(shè)計(jì)一致性的條件下盡可能的提高安裝可操作性。

后續(xù)擾流板的材質(zhì)、 形狀及不同安裝位置等因素對(duì)葉片全生命周期的性能的影響需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究，也為下一步的葉片擾流板優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。