金 月

（天津市津能風(fēng)電有限責(zé)任公司，天津 300480）

0 引言

為了減少不可再生能源的大量消耗帶來(lái)的環(huán)境污染和資源枯竭等一系列問(wèn)題，積極響應(yīng)我國(guó)的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，在追求可再生能源的技術(shù)發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用較為普遍，對(duì)緩解我國(guó)資源壓力起到了較為明顯的推動(dòng)作用。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率提升的有關(guān)研究中，學(xué)者們?cè)岢鐾ㄟ^(guò)延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)葉片葉尖、安裝格林襟翼和增加渦流發(fā)生器的方法來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行改造優(yōu)化。作為發(fā)電機(jī)的核心零部件，機(jī)組葉片氣動(dòng)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用效率產(chǎn)生直接作用[1]。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)做功地理環(huán)境較為復(fù)雜，各種負(fù)面因素均會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電效率產(chǎn)生不利影響。為提高風(fēng)機(jī)的產(chǎn)出效率、降低成本支出和，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)參數(shù)和理論基礎(chǔ)

對(duì)風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是為提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能力和產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。葉片作為風(fēng)機(jī)裝置的重要組成部分，承載著能量之間高效轉(zhuǎn)化樞紐的作用，風(fēng)機(jī)氣動(dòng)外形的各個(gè)參數(shù)值對(duì)風(fēng)機(jī)葉片是否能獲取足夠的升力和充足的功率具有主要作用[2]。

在風(fēng)機(jī)葉片的表面，葉片表面壓強(qiáng)與環(huán)境中壓強(qiáng)不等，進(jìn)而出現(xiàn)了壓強(qiáng)差，為了能體現(xiàn)葉片表面的壓強(qiáng)P 的分布狀態(tài)，引入了壓強(qiáng)系數(shù)Kp，壓強(qiáng)系數(shù)的表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：P為風(fēng)機(jī)葉片表面壓強(qiáng)；P1為環(huán)境中的壓強(qiáng)；ρ為來(lái)流的流體密度；v為空氣的流速。

增大葉片的升力，降低葉片的阻力是提升風(fēng)機(jī)葉片功率的重要途徑。受氣流的影響，風(fēng)機(jī)的葉片上形成了一個(gè)氣動(dòng)升力F，其可以分解為升力FL和阻力FD，如公式（2）～公式（4）所示。

式中：F、FL、FD分別為單位長(zhǎng)度的氣動(dòng)力、升力和阻力；CT、CL和CD分別為氣動(dòng)力系數(shù)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

根據(jù)以上翼型氣動(dòng)力、氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力的關(guān)系式可得到氣動(dòng)力系數(shù)、升力系數(shù)和阻力系數(shù)，分別如公式（5）～公式（7）所示。

在氣流作用下，翼型升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD與葉片弦線與風(fēng)向的角度（攻角）α之間有一部分變化關(guān)系：在特定范圍內(nèi)，升力系數(shù)CL會(huì)隨攻角α的增加而線性增大。當(dāng)攻角增加到某個(gè)特定的閾值，升力系數(shù)會(huì)達(dá)到最大值CLmax。如果攻角繼續(xù)增大，則升力系數(shù)CL會(huì)出現(xiàn)迅速降低的情況，且阻力系數(shù)CD會(huì)出現(xiàn)迅速增大趨勢(shì)，翼型出現(xiàn)失速狀態(tài)[3]。在失速狀態(tài)下，流體將不再貼附翼型表面流過(guò)，在上表面將發(fā)生邊界分離，前緣后部將出現(xiàn)渦流，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片震動(dòng)和運(yùn)行不穩(wěn)定。把渦流發(fā)生器設(shè)置在葉片上，能有效降低因葉根攻角太大而產(chǎn)生的失速風(fēng)險(xiǎn)以及湍流或者陣風(fēng)力度過(guò)大造成葉片整體攻角變化幅度大帶來(lái)的發(fā)現(xiàn)效率下降的現(xiàn)象[4]。在風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意升力系數(shù)和阻力系數(shù)之間關(guān)系失衡產(chǎn)生的風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定和效率受阻的影響。

任意攻角下翼型升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD的比值稱為升阻比。升力使風(fēng)機(jī)獲得有效扭矩，阻力對(duì)風(fēng)輪形成正面壓力，為了提高風(fēng)機(jī)的作業(yè)效率，有必要提高葉片翼型的升阻比[5]。該文在對(duì)葉片設(shè)計(jì)中增加渦流發(fā)生器和擾流板就可以很好地利用該理論，提高葉片轉(zhuǎn)動(dòng)升阻比，提升葉片做功能力和輸出效率。

伯努利方程是根據(jù)機(jī)械能守恒定律推導(dǎo)而出的，如公式（8）所示。

式中：p為壓強(qiáng)；ρ為氣流密度；v為氣流流速；h為高度；C為常量。

在翼型質(zhì)量很小的情況下，可以忽略質(zhì)量帶來(lái)的影響，此時(shí)在C 為常量的情況下，壓強(qiáng)越大，速度越?。粔簭?qiáng)越小，速度越大，翼型上下出現(xiàn)壓強(qiáng)差。

2 風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)

在目前的風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)設(shè)計(jì)中，部分學(xué)者提出可以通過(guò)延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)葉尖、安裝格林襟翼和渦流發(fā)生器等一系列途徑來(lái)提升葉片性能?？紤]風(fēng)場(chǎng)已有的能力、風(fēng)電機(jī)組葉片本身存在的設(shè)計(jì)不足以及可能的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，該文采用增加渦流發(fā)生器和擾流板的組合裝置來(lái)提升風(fēng)電機(jī)組葉片的運(yùn)行效率。根據(jù)已有文獻(xiàn)可以總結(jié)出安裝渦流發(fā)生器和擾流板可以把電能產(chǎn)量提升2%～3%。增加擾流板會(huì)使翼型發(fā)生變化，地截面外形也發(fā)生變化，升力系數(shù)和升阻比得以提升。安裝渦流發(fā)生器的作用是攪亂吸力面附著的流體，提高升力系數(shù)，進(jìn)而提升作業(yè)功率[6]。

2.1 渦流發(fā)生器優(yōu)化設(shè)計(jì)

渦流發(fā)生器是以某個(gè)固定安裝角度垂直安裝在風(fēng)電機(jī)組葉片外部的擾流器。它所產(chǎn)生的葉尖渦與來(lái)流相互作用，可以實(shí)現(xiàn)從層流邊界層向湍流邊界層的轉(zhuǎn)折，以提高升力，降低阻力，進(jìn)而提高升阻比和發(fā)電效率。

該文采用CFD 分析方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行仿真分析與設(shè)計(jì)，計(jì)算了在葉片弦向25%的位置安裝高度為20mm 渦流發(fā)生器前后的氣動(dòng)特性，結(jié)果如圖1 所示。圖1 中分別展示了渦流發(fā)生器增加前和增加后隨著攻角變化升力系數(shù)的變化情況。在風(fēng)速有波動(dòng)時(shí)，葉片弦線與風(fēng)向的角度（攻角）會(huì)發(fā)生變化，即攻角為12°時(shí)，翼型的升力系數(shù)由空心點(diǎn)變?yōu)楹谏c(diǎn)，升力系數(shù)值也由1.3 增加到1.8，增加幅度約40%。地截面的受力隨著升力系數(shù)的提高也出現(xiàn)了極大的增幅，進(jìn)而提高了發(fā)電量。

圖1 增加渦流發(fā)生器前后升力系數(shù)對(duì)比

2.2 擾流板優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉片擾流板的設(shè)計(jì)原理是通過(guò)優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉片的形狀，來(lái)改善風(fēng)電機(jī)組葉片根端范圍出力不足產(chǎn)生的設(shè)計(jì)弱點(diǎn)。添放擾流板后，壓力面的壓強(qiáng)增大，吸力面的壓強(qiáng)降低，壓力面和吸力面壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而影響葉片上的作用力。最后，升力系數(shù)和升阻比因壓強(qiáng)差的影響而得到提升。增加擾流板前后升力系數(shù)對(duì)例如圖2 所示。由圖2 可以看出，葉片的升力系數(shù)隨著攻角的增加而增加，攻角在13°時(shí)達(dá)到23.5%，而后急速下降，展現(xiàn)出了明顯的失速性能。攻角到達(dá)17°時(shí)趨于平緩，穩(wěn)定在15%左右。

圖2 增加擾流板前后升力系數(shù)對(duì)比

在實(shí)際操作時(shí)，增加渦流發(fā)生器和擾流板的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，只需要用膠質(zhì)物黏合輕質(zhì)物和葉片就好，載荷變化很小，不會(huì)影響葉片的核心結(jié)構(gòu)。

3 風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)

為了研究以上兩種方法的組合方案對(duì)風(fēng)機(jī)葉片效率的影響，該文選擇某一風(fēng)電場(chǎng)的兩個(gè)風(fēng)機(jī)組進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，將安裝了渦流發(fā)生器和擾流板的A 號(hào)機(jī)組和未進(jìn)行改良的B 號(hào)機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，采集二者在一定時(shí)期內(nèi)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行功率等數(shù)據(jù)，剔除部分異常值，得出了運(yùn)行功率的變化數(shù)據(jù)。

該文對(duì)機(jī)組A 號(hào)和機(jī)組B 號(hào)在不同風(fēng)速段的功率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果為整體出現(xiàn)了上升，部分高風(fēng)速段有所下降。

從設(shè)計(jì)改良前后的A、B 機(jī)組功率變化的比較中不難看出，B 號(hào)機(jī)組在不同風(fēng)速段的功率都顯著高于A 號(hào)機(jī)組，且兩個(gè)機(jī)組之間的功率相差較多。對(duì)A 號(hào)機(jī)組進(jìn)行新方案改造設(shè)計(jì)，A 號(hào)機(jī)組的功率出現(xiàn)了顯著提高，A、B 兩機(jī)組之間的功率差減少。從以上現(xiàn)象可以得出，技改后整體風(fēng)速段的功率都在提高，而部分高風(fēng)速段的功率出現(xiàn)了下降。

機(jī)組A 號(hào)和機(jī)組B 號(hào)功率變化對(duì)例如圖3 所示。通過(guò)綜合比較A 號(hào)和B 號(hào)機(jī)組在不同風(fēng)速段的功率變化情況能夠得出，與以前沒(méi)有添加增功附件的A 號(hào)機(jī)組相比，技改后的A號(hào)機(jī)組的功率有了顯著提高，在主要風(fēng)速段功率都有所增加。

圖3 機(jī)組A 號(hào)和機(jī)組B 號(hào)功率變化對(duì)比圖

4 結(jié)論

為了達(dá)到對(duì)風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，合理提升風(fēng)機(jī)葉片的產(chǎn)出效率，該文根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的相關(guān)參數(shù)和理論基礎(chǔ)，選擇在風(fēng)機(jī)葉片上增加渦流發(fā)生器和擾流板等增功部件的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的兩臺(tái)機(jī)組，進(jìn)行增功前后功率變化的實(shí)測(cè)對(duì)比。結(jié)果表明，通過(guò)增加增功附件可以有效提高風(fēng)機(jī)的功率，在主要風(fēng)速段提高效果較為明顯。同時(shí)注意控制方案實(shí)測(cè)中的相關(guān)因素以降低試驗(yàn)誤差，為企業(yè)風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化提供了新的思路。