李劍

（天津市津能風電有限責任公司，天津 300480）

0 引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，開發(fā)能源的綠色和環(huán)保性能備受矚目，各國政府都在不斷提倡新環(huán)保能源的開發(fā)和使用。風力發(fā)電因其自身的發(fā)展優(yōu)勢在可再生新型能源的技術(shù)開發(fā)中居于重要地位，風力發(fā)電得到有效推廣并具有良好的發(fā)展前景。風力機葉片作為發(fā)電機的重要組件，其投入的成本占風機組總成本的20%以上，其高機械性能和運轉(zhuǎn)能力是風機高效運行的重要保障。由于風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)復雜，身處于復雜的地理環(huán)境中，容易產(chǎn)生疲勞破壞和多種降低風力發(fā)電效率的負面影響因素[1]。為達到提高風機葉片的氣動性能、降低成本和提升風機葉片的功率的目的，對風力發(fā)電機葉片進行優(yōu)化和設計具有必要性。

1 風機葉片優(yōu)化方案設計內(nèi)容

現(xiàn)有關(guān)于風機葉片設計中提出通過可以葉尖延長、安裝格林襟翼和渦流發(fā)生器等方法來提升葉片性能的方法，文章在綜合考慮風電機組葉片原始設計缺陷、風場資源和技術(shù)風險等因素，采用增加渦流發(fā)生器和擾流板的組合裝置來提高電機葉片運轉(zhuǎn)功率?，F(xiàn)有研究表明，安裝渦流發(fā)生器和擾流板能夠提高電能產(chǎn)量在2%～3%左右。增加了擾流板，主動改變了翼型形狀，當?shù)亟孛嫘螤罡淖兒?，增加其升力系?shù)和升阻比。渦流發(fā)生器主要是對吸力面一側(cè)的流體進行擾流，通過改變升力系數(shù)來提高其運行效率。

1.1 渦流發(fā)生器優(yōu)化設計

渦流發(fā)生器是以一固定安裝角垂直布置在風力機葉片表面的擾流器。通過與來流相互作用，利用其產(chǎn)生的翼尖渦實現(xiàn)層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)捩，達到增升減阻的目的，提高升阻比和發(fā)電效率。葉片渦流發(fā)生器主要是對吸力面一側(cè)的流體進行擾流，在吸力面出現(xiàn)流體分離時，增加吸力面位置的速度，速度增加，吸力面壓強減小，兩側(cè)壓強差△P增大，葉片表面受力增加，導致做功總量和功率均增大。當渦流發(fā)生器安裝在葉根設計攻角大、陣風或者湍流強度較大和葉片表面存有污垢時其增功優(yōu)勢較為明顯。

渦流發(fā)生器是一些小的改性ASA材質(zhì)的三角翅片。翅片相互之間有一定方向角度排列。拼裝長度根據(jù)風機實際出力不足的彌補量進行取舍，一般為葉片長度的25%～55%。用進口防脫落異類物質(zhì)連接膠水將其安裝在葉片背風側(cè)靠近葉片根部的入流端。

1.2 擾流板優(yōu)化設計

葉片擾流板主動改變風機葉片的形狀設計，主要為彌補葉根部區(qū)域整體出力較小帶來的設計缺陷。在安裝擾流板后，吸力面的流速有了較高提升，吸力面壓強減小，壓力面的流速減小導致壓力面壓強增加，葉片表面的壓強差增加，葉片表面受力增加，做功增加，功率提高。如圖1所示（橫坐標代表翼型弧線長度，即弦線位置，縱坐標代表了壓強值），增加擾流板后，壓力面的壓強增加，即紅色面積大于藍色面積，圖2顯示吸力面的壓強出現(xiàn)減小，即紅色的面積大于藍色的面積，最終由于壓強差的作用，產(chǎn)生了升力系數(shù)的改變，增加其升力系數(shù)和升阻比。擾流板引起的升力系數(shù)的增加不分區(qū)域，即引起了所有運行段升力系數(shù)的增加，大幅增加當?shù)亟孛娴氖芰?，增加發(fā)電量[2]。

圖1 增加擾流板后，壓力面壓強系數(shù)

圖2 增加擾流板后，吸力面壓強系數(shù)

在實際中，增加渦流發(fā)生器和擾流板的增功方案操作簡單，利用膠質(zhì)物實現(xiàn)輕質(zhì)物的粘結(jié)即可，載荷影響較小，對葉片結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生破壞性影響，安裝后的增功翼型如圖3和圖4所示。在對風機進行渦流發(fā)生器和擾流板的增加設計方案中，首先對葉片進行三維流動分析，確定軸向安裝位置和葉片表面流動分離點。計算原始翼型性能，確定渦流發(fā)生器和擾流板的安裝位置和間距后，對帶增功物件的葉片翼型性能進行測算。在翼型性能和發(fā)電量、載荷等滿足設計要求的情況下，確定風機葉片增功物件的最佳位置。

圖3 VG安裝整體效果圖

圖4 擾流板安裝整體效果圖

2 風機葉片優(yōu)化設計風電場應用實測

為了研究優(yōu)化設計后的風機葉片效率的變化，選取并設置安裝機組與非安裝機組做參照和對比，采集兩者在安裝前和安裝后一定時期內(nèi)的風速、轉(zhuǎn)速和功率的相關(guān)數(shù)據(jù)，對異常和偏差較大的數(shù)據(jù)點進行剔除，擬合功率曲線，得到發(fā)電量變化的評估數(shù)據(jù)。根據(jù)風機葉片優(yōu)化方案，選擇某一風電場的三臺機組進行發(fā)電機葉片優(yōu)化設計實驗，該場地沒有易滑物，能見度較高，風速≤8m/s，選擇1號和2號機組進行試驗驗證。其中1號機組未進行任何操作，2號機組為技改機組。

2.1 技改前后1號機組和2號機組的功率對比

首先對1號機組和2號機組的功率進行對比，其中主要風速段的功率均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，在部分高風速段機組功率有所下降，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 技改前機組1號（紅）和2（藍）號功率對比

圖6 技改后1號（紅）和2（藍）號功率對比

圖7 機組2號功率改變量（正為增加、負為減?。?/p>

根據(jù)技改前后的1號機組和2號機組功率變化對比，可以看出1號機組的在不同風速段的功率明顯高于2號機組，兩個機組的功率差別較大。通過在對2號機組改裝設計后，2號機組的功率得到明顯提升，與1號機組的功率差變小。綜合來看，整體風速段的功率都是增加的，部分高風速段的功率呈現(xiàn)下降趨勢[3]。

2.2 兩個機組功率綜合對比結(jié)果

通過1號和2號機組在不同風速段的功率變化綜合對比，可以看出經(jīng)過增加增功附件的2號機組較之前未增加增功附件的功率有了較明顯的提高，在主要風速段的功率均為增加的狀態(tài)。

根據(jù)2號機位安裝增功附件前后發(fā)電效率對比，統(tǒng)計安裝渦流發(fā)生器和擾流板后的機組在不同風速段的年發(fā)電量的增加量，從表1中可以看出優(yōu)化后的風機年發(fā)電量都體現(xiàn)不同程度的增加，經(jīng)過分析增功發(fā)電量約2.3%。在風速為7.1m/s的年發(fā)電增加量最大，在部分風速段發(fā)電量呈下降狀態(tài)，可能受風機發(fā)電過程中風機器件的老化或受損期間未及時更換帶來的影響。

表1 技改后機組K86號年發(fā)電量變化情況

3 結(jié)語

在資源短缺，新能源備受關(guān)注和發(fā)展迅速的當今社會，風力發(fā)電成為很多國家推動新能源發(fā)電的方式。風機葉片作為提高風機發(fā)電效率的重要部件，其設計性能對風機效率影響很大。通過增加渦流發(fā)生器和擾流板等增功部件方式優(yōu)化風機葉片，在遵循簡單易行的原則上，根據(jù)設計指標數(shù)據(jù)達標后的方案，顯示增加增功部件的風機在主要風速段的效率得到明顯提升，帶來風機葉片效率提升的目的，為企業(yè)風機葉片優(yōu)化提供新的思路。