文|毛曉娥，李成良，任旺

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件之一，其氣動(dòng)性能直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。由于葉片長(zhǎng)期運(yùn)行在惡劣的環(huán)境中，前緣極易出現(xiàn)腐蝕。隨著海上風(fēng)電逐步發(fā)展，運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，葉片前緣更易發(fā)生腐蝕，這會(huì)導(dǎo)致葉片升力下降、阻力增加，進(jìn)而使葉片氣動(dòng)性能下降，影響發(fā)電性能。如果葉片前緣腐蝕得不到及時(shí)處理，隨著時(shí)間的推移腐蝕程度加劇，發(fā)電量不斷降低，最終會(huì)給風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了保護(hù)葉片前緣，提高其使用壽命，應(yīng)采取一定的保護(hù)措施，目前常用的兩種方法為涂裝前緣保護(hù)漆與粘貼前緣保護(hù)膜。前緣保護(hù)膜有一定的厚度，在完成涂裝的葉片前緣粘貼保護(hù)膜，會(huì)改變?nèi)~片截面外形輪廓，進(jìn)而改變截面翼型形狀，從而影響葉片的氣動(dòng)性能。

因不同厚度與寬度的前緣保護(hù)膜對(duì)葉片截面輪廓的影響不同，即對(duì)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)翼型后的氣動(dòng)性能影響也不同。本文將分別對(duì)目前常用前緣保護(hù)膜的厚度、寬度對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行研究，以期找出厚度、寬度對(duì)翼型性能的影響規(guī)律。

圖1 轉(zhuǎn)換后的截面標(biāo)準(zhǔn)翼型幾何外形

前緣保護(hù)膜粘貼模擬

本文選取一款約60米長(zhǎng)度的葉片進(jìn)行研究。為了研究前緣保護(hù)膜對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響，對(duì)葉片進(jìn)行粘貼前緣保護(hù)膜模擬，然后將截面輪廓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)翼型進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算。本文僅對(duì)相對(duì)厚度18%與21%翼型截面粘貼前緣保護(hù)膜后的性能進(jìn)行計(jì)算分析。18%與21%相對(duì)厚度處的葉片截面轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)翼型后的幾何外形如圖1所示。

前緣保護(hù)膜寬度對(duì)翼型的影響

在本節(jié)確定前緣保護(hù)膜厚度為0.36mm，選取152mm、254mm、305mm三種寬度進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算采用了ECN針對(duì)風(fēng)電機(jī)組翼型專門(mén)開(kāi)發(fā)的程序RFoil。該程序在XFoil的基礎(chǔ)上對(duì)邊界層方程進(jìn)行了修正，并考慮了由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的三維徑向流動(dòng)效應(yīng)，對(duì)失速后性能的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確，廣泛用于風(fēng)電機(jī)組翼型的氣動(dòng)特性計(jì)算，并得到了大量驗(yàn)證。

一、對(duì)氣動(dòng)性能的影響

升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比是評(píng)價(jià)翼型性能的基本指標(biāo)。圖2與圖3所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護(hù)膜寬度下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比性能對(duì)比。

對(duì)于18%相對(duì)厚度翼型，由圖2（a）可知，前緣保護(hù)膜寬度對(duì)翼型阻力系數(shù)的影響比升力系數(shù)大，進(jìn)一步導(dǎo)致了升阻比的變化。隨著前緣保護(hù)膜寬度的增加，在一定的攻角范圍內(nèi)，阻力系數(shù)減小，但比沒(méi)有前緣保護(hù)膜翼型的阻力大；升力系數(shù)增加，但比沒(méi)有前緣保護(hù)膜翼型的升力系數(shù)小。由圖2（b）可知，最大升阻比隨著前緣保護(hù)膜寬度的增加而增加，且大于沒(méi)有前緣保護(hù)膜翼型的最大升阻比。

對(duì)于21%相對(duì)厚度翼型，由圖3（a）可知，前緣保護(hù)膜寬度對(duì)翼型阻力系數(shù)的影響比升力系數(shù)大。在一定的攻角范圍內(nèi)，寬度305mm的阻力系數(shù)較寬度254mm的小，寬度152mm的阻力系數(shù)最小，但均比沒(méi)有前緣保護(hù)膜翼型的阻力大；寬度305mm的升力系數(shù)比寬度254mm的大，寬度152mm的升力系數(shù)最大，但均比沒(méi)有前緣保護(hù)膜翼型的升力系數(shù)小。由圖3（b）可知，寬度152mm的最大升阻比較寬度254mm的大，寬度305mm的最大。

二、對(duì)邊界層參數(shù)影響

翼型邊界層參數(shù)主要包含壓力系數(shù)、摩擦力系數(shù)、邊界層位移厚度（以dst表示）、邊界層動(dòng)量損失厚度（以tet表示）、H（dst與tet比值）。圖4與圖5所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護(hù)膜寬度下對(duì)邊界層參數(shù)影響情況的對(duì)比。

從圖4（a）－（d）均可看出，當(dāng)X/c在0.1～0.2范圍附近時(shí)，每種寬度下前緣保護(hù)膜對(duì)應(yīng)翼型的邊界層參數(shù)曲線均有波動(dòng)，波動(dòng)位置為前緣保護(hù)膜粘貼結(jié)束的位置，可見(jiàn)該位置為發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置。前緣保護(hù)膜寬度為152mm、254mm、305mm時(shí)，轉(zhuǎn)捩位置X/c分別為0.09、0.16、0.21。

從圖4（a）（縱坐標(biāo)軸上半部分表示吸力面，下半部分表示壓力面）可以看出，吸力面在X/c為0.09、0.16、0.21時(shí)有小的跳躍，壓力面在X/c為0.56時(shí)發(fā)生跳躍，這是由于轉(zhuǎn)捩的發(fā)生，流動(dòng)由層流向湍流過(guò)渡的結(jié)果。

圖2 前緣保護(hù)膜寬度對(duì)18%相對(duì)厚度翼型氣動(dòng)性能影響

圖3 前緣保護(hù)膜寬度對(duì)21%相對(duì)厚度翼型氣動(dòng)性能影響

圖4 前緣保護(hù)膜寬度對(duì)18%相對(duì)厚度翼型邊界層參數(shù)影響

從圖4（b）可以看出，在前緣保護(hù)膜的結(jié)束位置發(fā)生了轉(zhuǎn)捩，這使得壁面剪應(yīng)力減小，但并未減小到0，因此沒(méi)有流動(dòng)分離產(chǎn)生。

從圖4（c）可以看出，在后緣附近，吸力側(cè)由于正壓力梯度增加導(dǎo)致位移厚度增加，壓力側(cè)由于壓力梯度減小導(dǎo)致位移厚度減小。

從圖4（d）可以看出，X/c在0.1～0.2范圍附近時(shí)，三種寬度前緣保護(hù)膜對(duì)應(yīng)的H曲線均有波動(dòng)，進(jìn)一步說(shuō)明了在波動(dòng)位置有強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的存在。

從圖5（a）－（d）均可看出，當(dāng)X/c在0～0.2范圍附近、前緣保護(hù)膜寬度為152mm、254mm、305mm時(shí)，由于強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的存在，前緣保護(hù)膜對(duì)應(yīng)翼型的邊界層參數(shù)曲線均有波動(dòng)，波動(dòng)位置X/c分別為0.06、0.11、0.13。

前緣保護(hù)膜厚度對(duì)翼型的影響

在本節(jié)確定前緣保護(hù)膜寬度為254mm，厚度選取0.36mm與1mm兩種規(guī)格進(jìn)行計(jì)算分析。

一、對(duì)氣動(dòng)性能的影響

圖6與圖7所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護(hù)膜厚度下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比性能對(duì)比。

對(duì)于18%相對(duì)厚度翼型，在前緣保護(hù)膜寬度一定時(shí)，由圖6（a）可知，在一定的攻角范圍內(nèi)，隨著前緣保護(hù)膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對(duì)阻力影響較大。由圖6（b）可知，隨著前緣保護(hù)膜厚度的增加，最大升阻比降低，且最大升阻比對(duì)應(yīng)的攻角減小。

圖5 前緣保護(hù)膜寬度對(duì)21%相對(duì)厚度翼型邊界層參數(shù)影響

圖6 前緣保護(hù)膜厚度對(duì)18%相對(duì)厚度翼型氣動(dòng)性能影響

圖7 前緣保護(hù)膜厚度對(duì)21%相對(duì)厚度翼型氣動(dòng)性能影響

對(duì)于21%相對(duì)厚度翼型，在前緣保護(hù)膜寬度一定時(shí)，由圖7（a）可知，在一定的攻角范圍內(nèi)，隨著前緣保護(hù)膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對(duì)阻力影響較大。由圖7（b）可知，隨著前緣保護(hù)膜厚度的增加，最大升阻比降低。

二、對(duì)邊界層參數(shù)影響

圖8與圖9所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護(hù)膜厚度下邊界層參數(shù)的對(duì)比。

從圖8（a）－（d）均可看出，當(dāng)X/c在0.16附近時(shí)，由于強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的存在，邊界層參數(shù)曲線均有波動(dòng)，由于前緣保護(hù)膜寬度相同而厚度不同，導(dǎo)致發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置相同，而對(duì)邊界層參數(shù)的影響不同。

從圖9（a）－（d）均可看出，當(dāng)X/c在0.10附近時(shí)，由于強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的存在，邊界層參數(shù)曲線均有波動(dòng)，由于前緣保護(hù)膜寬度相同而厚度不同，導(dǎo)致發(fā)生轉(zhuǎn)捩的位置相同，而對(duì)邊界層參數(shù)的影響不同。

總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)葉片粘貼不同寬度和不同厚度的前緣保護(hù)膜進(jìn)行模擬，再將粘貼有前緣保護(hù)膜的葉片截面輪廓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)翼型進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算。分析18%和21%相對(duì)厚度翼型的氣動(dòng)性能與邊界層參數(shù)計(jì)算結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）在前緣保護(hù)膜厚度一定時(shí)，前緣保護(hù)膜寬度對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響較小。

（2）在前緣保護(hù)膜寬度一定時(shí)，前緣保護(hù)膜厚度對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響較大。

（3）通過(guò)翼型邊界層參數(shù)可知，在前緣保護(hù)膜邊緣位置發(fā)生了固定轉(zhuǎn)捩。