陳松利 李 明 萬(wàn)大千

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018）

隨著氣候條件的惡化和潔凈能源開(kāi)發(fā)和利用，促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展,甘肅、新疆及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是我國(guó)風(fēng)資源最豐富的地區(qū)之一，我國(guó)大型風(fēng)電場(chǎng)主要分布在這些區(qū)域，這些地區(qū)也是沙塵暴高能活動(dòng)區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中運(yùn)行時(shí)會(huì)受到挾沙風(fēng)的沖蝕，導(dǎo)致前緣涂層遭受破壞，難以保持良好的氣動(dòng)外形，影響發(fā)電量，并且降低了葉片使用壽命，同時(shí)也增加了葉片的維護(hù)成本[1-2]。

因此，其研究主要集中在對(duì)風(fēng)沙環(huán)境中對(duì)葉片的沖蝕問(wèn)題。為了全面掌握大風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中沖蝕磨損情況及對(duì)翼型氣動(dòng)性能變化規(guī)律和機(jī)理，需要設(shè)計(jì)大型風(fēng)力機(jī)葉片相似模型，進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，為開(kāi)發(fā)適合高風(fēng)沙惡劣環(huán)境下葉片翼型設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 相似理論

由流體力學(xué)相似原理可知，當(dāng)幾何相似和物理相似均可滿足的條件下，兩個(gè)流動(dòng)的若干無(wú)量綱數(shù)只要對(duì)應(yīng)相等，則可保證二者相似[3-5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿~輪與原型機(jī)組相似是指在模型機(jī)葉輪試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)空氣流經(jīng)模型葉輪時(shí)與原型機(jī)葉輪流動(dòng)相似，其空氣的能量傳遞過(guò)程與原型機(jī)也相似。

2 風(fēng)力機(jī)相似條件

風(fēng)力機(jī)相似條件的推導(dǎo)，先做如下假設(shè)：

V1、V1m——風(fēng)力機(jī)實(shí)物與模型前方來(lái)流風(fēng)速；

V2、V2m——風(fēng)力機(jī)實(shí)物與模型的下游風(fēng)速；

V、Vm——風(fēng)力機(jī)實(shí)物與模型的風(fēng)速；

U1、U1m——風(fēng)力機(jī)實(shí)物與相似模型葉片葉尖處的圓周速度；

U、Um——風(fēng)力機(jī)實(shí)物與相似模型葉片某半徑處的圓周速度。

如果實(shí)物和模型相似，則存在以下關(guān)系式：

由上式可得出：

設(shè)r 為風(fēng)力機(jī)實(shí)物任意半徑；rm為模型任意半徑；I 風(fēng)力機(jī)實(shí)物任意半徑處葉素的傾角；Im為模型任意半徑處葉素的傾角，則：

而

根據(jù)式（4）（5）（6）則有：

式（1）（2）（7）說(shuō)明：

（1）相似模型和原型機(jī)風(fēng)輪各對(duì)應(yīng)出的葉素傾角相等；

（2）如果忽略葉素表面粗糙度的影響和雷諾數(shù)的影響，則實(shí)物和模型的葉片升力系數(shù)和阻力系數(shù)也相等。

（3）相似模型與實(shí)物葉片具有方向相同，大小對(duì)應(yīng)成比例的受力條件。

3 1.5MW 葉片模型設(shè)計(jì)

3.1 相似模型

由于目前風(fēng)電場(chǎng)服役的主流機(jī)型以1.5MW 發(fā)電機(jī)組為主，因此，本次研究對(duì)象原型為1.5MW 機(jī)組，對(duì)該機(jī)組葉片進(jìn)行風(fēng)沙環(huán)境下沖蝕磨損試驗(yàn)。

由于葉片外形尺寸限制，根據(jù)目前現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件很難實(shí)現(xiàn)，因此，設(shè)計(jì)并加工一個(gè)與1.5MW 葉片具有氣動(dòng)外形相似、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型葉片，用來(lái)進(jìn)行風(fēng)沙環(huán)境下沖蝕磨損試驗(yàn)研究是十分必要的。

相似模型，是指將某種物理現(xiàn)象的長(zhǎng)度、時(shí)間、力、速度等縮小或擴(kuò)大來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的裝置，它和不滿足這種條件的模型，科學(xué)意義大不相同[6-8]。

設(shè)計(jì)相似模型的目的是要用模型實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬并代替原型實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于1.5MW 風(fēng)力機(jī)葉片相似模型來(lái)說(shuō)，就是希望用原型葉片的相似模型進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，來(lái)模擬原型葉片的實(shí)驗(yàn)，得到原型葉片前緣實(shí)際在風(fēng)場(chǎng)中受風(fēng)沙磨損情況。

3.2 1.5MW 葉片相似模型的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，模型葉片的實(shí)驗(yàn)采用100W 發(fā)電機(jī)和相應(yīng)裝置。

由幾何相似定義，在進(jìn)行葉片模型設(shè)計(jì)時(shí)，只要保證葉片模型的邊長(zhǎng)與風(fēng)場(chǎng)原型機(jī)葉片對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)比例系數(shù)按同一尺度選取。

根據(jù)：

就可以得到模型的對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)。

式中，kl- 尺度比例系數(shù)；lp- 原型葉片長(zhǎng)度，m；lm- 模型對(duì)應(yīng)葉片長(zhǎng)度，m。

取尺度比例系數(shù)kl=1/38.5，葉片半徑、弦長(zhǎng)、厚度都按此比例系數(shù)縮小后成為1.5MW 模型葉片的外形，模型葉片長(zhǎng)度為0.82m[8-11]。

根據(jù)葉片模型設(shè)計(jì)及葉片展向方向布置，選取NREL-S813、NREL-S814、NREL-S830、NREL-S831、和NREL-S 832 5 種翼型[7]。

3.3 1.5MW 葉片相似模型制作

根據(jù)1.5MW 模型葉片各截面設(shè)計(jì)參數(shù)加工制作作為試驗(yàn)用葉片。

由于現(xiàn)有大風(fēng)機(jī)葉片普遍使用的環(huán)氧樹(shù)脂- 玻璃纖維復(fù)合材料，1.5MW 試驗(yàn)用葉片模型基材仍然選用環(huán)氧樹(shù)脂- 玻璃纖維復(fù)合材料，在實(shí)驗(yàn)室手工鋪放制作，再按照葉片的涂層工藝進(jìn)行聚氨酯噴涂，涂層厚度控制在1mm，1.5MW 模型葉片如圖1 所示。

圖1 1.5MW 試驗(yàn)用模型葉片

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步研究大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在風(fēng)沙環(huán)境中沖蝕磨損機(jī)理，為研發(fā)適合高風(fēng)沙惡劣環(huán)境下的葉片提供一定的理論依據(jù)，本文以1.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機(jī)為原型機(jī)，利用相似理論設(shè)計(jì)了1.5MW 風(fēng)力風(fēng)電機(jī)葉片模型作為試驗(yàn)葉片，模型葉片的實(shí)驗(yàn)采用100W 發(fā)電機(jī)和相應(yīng)裝置，通過(guò)測(cè)試分析，該葉片模型能夠滿足試驗(yàn)需要。