DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0399 文章編號(hào)：0254-0096（2023）02-0181-07

摘 要：結(jié)合中國西北地區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，以1.5 MW葉片的縮比模型作為試驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)葉片，設(shè)計(jì)風(fēng)沙流沖蝕磨損裝置，對(duì)葉片壓力面沿弦向和展向分區(qū)域沖蝕。將加裝沖蝕后葉片的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行車載試驗(yàn)，研究葉片分區(qū)域非均勻磨蝕特征對(duì)氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明：前緣磨蝕葉片在小安裝角下總體導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率減小，氣動(dòng)性能下降，風(fēng)能利用系數(shù)在31.7°安裝角下降更明顯；展向半沖蝕葉片小安裝角時(shí)使風(fēng)力機(jī)輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)均下降，而安裝角增大后出現(xiàn)氣動(dòng)性能提高的積極效應(yīng)；展向全沖蝕葉片小安裝角時(shí)體現(xiàn)出積極效應(yīng)，安裝角增大后引起氣動(dòng)性能劣化。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；葉片；磨蝕；氣動(dòng)性能；表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程所處自然環(huán)境導(dǎo)致葉片表面發(fā)生覆冰、雨蝕、風(fēng)蝕、積垢、昆蟲尸體污染等現(xiàn)象［1-2］，產(chǎn)生諸如外凸、內(nèi)凹、砂眼、裂紋的表面形態(tài)，引起粗糙度變化［3］，改變翼型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和受力，影響氣動(dòng)性能和風(fēng)能利用效率，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量的損失［4-5］。

國內(nèi)外針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片表面粗糙度對(duì)氣動(dòng)性能的影響展開了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。Homola等［6］通過數(shù)值仿真計(jì)算得到結(jié)冰所導(dǎo)致的風(fēng)力機(jī)升阻力系數(shù)變化和功率損失。舒立春等［7］采用試驗(yàn)?zāi)M覆冰表面粗糙情況，得出覆冰對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的改變，霧凇和雨凇對(duì)氣動(dòng)性能的影響差異。Rooij等［8］針對(duì)專用翼型分析了葉片前緣粗糙度在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中引發(fā)層流邊界層的不完全轉(zhuǎn)捩。王燕等［9］采用CFD方法分析磨損類型、磨損深度、厚度對(duì)翼型流場(chǎng)、氣動(dòng)性能的影響。李德順等通過數(shù)值模擬研究了砂眼、小坑、脫層等表面現(xiàn)象組成的前緣磨損形態(tài)對(duì)氣流流動(dòng)、升阻力系數(shù)、分離點(diǎn)的影響［10］，以及壓力面和吸力面粗糙度對(duì)氣動(dòng)性能的影響［11］。Sareen等［12］對(duì)特定翼型的試驗(yàn)表明前緣侵蝕導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能下降，阻力增加。文獻(xiàn)［13-14］分別通過試驗(yàn)和數(shù)值方法得出壓力面尾緣局部區(qū)域粗糙度對(duì)葉片氣動(dòng)參數(shù)和性能存在積極作用。吳聰?shù)龋?5］通過數(shù)值計(jì)算得出葉尖部位粗糙度變化帶來出力損失的增加，輸出轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)載荷的降低，但葉片整體粗糙度沿葉片展向相互作用后存在某種積極效應(yīng)。

現(xiàn)有研究肯定了自然環(huán)境導(dǎo)致的葉片表面粗糙度變化對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生的影響，但前緣、尾緣、展向不同區(qū)域磨損特征對(duì)氣動(dòng)性能的影響較為復(fù)雜，且每種翼型發(fā)生的流場(chǎng)和受力變化各異。數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)中常采用均勻粗糙元等效覆冰、風(fēng)蝕等引起的表面粗糙度變化，但自然環(huán)境下經(jīng)風(fēng)沙吹蝕磨損的葉片表面磨損特征呈現(xiàn)隨機(jī)性、非均勻狀態(tài)。因此，本文以真實(shí)葉片的縮比模型為對(duì)象，設(shè)計(jì)加工沖蝕裝置對(duì)葉片壓力面沿弦向和展向不同區(qū)域進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕，得到與實(shí)際自然環(huán)境中挾沙風(fēng)吹蝕后表面特性更為接近的葉片，考慮三維風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，采用車載法獲得動(dòng)態(tài)試驗(yàn)下的氣動(dòng)性能變化，以期為風(fēng)沙流環(huán)境引起的葉片非均勻粗糙表面對(duì)氣動(dòng)性能影響的研究提供支持。

1 試驗(yàn)方法及裝置

1.1 葉片模型

實(shí)際使用的風(fēng)力機(jī)葉片尺寸較大，在葉片沖蝕磨損試驗(yàn)和氣動(dòng)性能試驗(yàn)中難以設(shè)置與其相匹配的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件。本文根據(jù)1.5 MW風(fēng)電機(jī)組NREL-S系列翼型設(shè)計(jì)縮比葉片，具體參數(shù)引用自文獻(xiàn)［16］，加工后的實(shí)物如圖1所示，試驗(yàn)風(fēng)輪直徑為2 m，采用運(yùn)行較平穩(wěn)的三葉片。

葉片材料采用玻璃纖維-乙烯基樹脂復(fù)合型材料，3層鋪層結(jié)構(gòu)，每層鋪設(shè)角度不同，滿足承載性能要求；涂層材料選用聚氨酯漆，試樣基底清洗后噴涂，通過葉片鋪層和表面涂層材料可有效增強(qiáng)葉片耐候性、抗蝕性。

1.2 葉片沖蝕磨損裝置

為得到與自然環(huán)境下挾沙風(fēng)吹蝕效果接近的表面特征，結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)沙流特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并加工沖蝕磨損裝置。如圖2所示，設(shè)備主要由進(jìn)沙裝置、沖蝕組件、沙量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)等組成。空氣壓縮機(jī)通過減壓閥后與沖蝕管組件的進(jìn)氣端相連，為試驗(yàn)提供給定壓力的氣流，通過沖蝕系統(tǒng)后沙粒與氣流共速，達(dá)到滿足試驗(yàn)所需沙量和速度的沖蝕效果。進(jìn)沙裝置在沙箱內(nèi)沙量充足的前提下，通過空氣壓力大小、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制轉(zhuǎn)速、沙箱下沙口開度三者的交互作用實(shí)現(xiàn)輸沙量、風(fēng)沙流速的調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)包含PLC、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，PLC選用西門子S7-200SMART，步進(jìn)電機(jī)選用型號(hào)86BYGH250AL-14J。通過PLC及其外圍電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整螺旋推進(jìn)器輸送速度，從而調(diào)節(jié)下沙量。

沖蝕過程所用沙粒取自黃河南岸內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)的庫布齊沙漠，選用0.6～0.9 mm粒徑沙粒，采用0.24～0.30 MPa的壓強(qiáng)，風(fēng)速為8.9～10.3 m/s，當(dāng)葉片表面出現(xiàn)明顯的通腔砂眼或凹坑時(shí)停止沖蝕。沖蝕系統(tǒng)設(shè)有葉片安裝角度調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)葉片以垂直于風(fēng)沙流沖擊方向0°～90°范圍內(nèi)的多級(jí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)葉片不同區(qū)域的風(fēng)沙沖蝕效果，便于分析葉片區(qū)域化磨蝕特征對(duì)于氣動(dòng)性能的影響。

1.3 葉片磨損特征

以內(nèi)蒙古地區(qū)為代表的風(fēng)沙活動(dòng)區(qū)，干旱少雨、全年平均風(fēng)速較大，且氣流中含沙量較大，風(fēng)力機(jī)葉片所處自然環(huán)境使其不可避免地遭受沖擊、磨損、侵蝕作用以及紫外光造成的老化。高風(fēng)速下伴隨葉片轉(zhuǎn)動(dòng)加大了氣流中的固體粒子或液態(tài)水滴與葉片表層的沖擊，長時(shí)間重復(fù)作用使裸露的葉片蒙皮開始受損，并逐漸顯露出不同磨蝕特征。

葉片旋轉(zhuǎn)過程中，前緣先受到風(fēng)沙流沖擊，磨損程度最大，沿葉片弦向從前緣至尾緣磨損程度逐漸減小；沿展向葉尖因其為主要風(fēng)能捕捉區(qū)且高速旋轉(zhuǎn)，磨損程度比葉根嚴(yán)重。葉片壓力面由于迎風(fēng)，直接受到風(fēng)沙流沖擊、擠壓作用，易產(chǎn)生磨損［17］。采用自制裝置進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)時(shí)，葉片每3片為一組，每組對(duì)葉片壓力面分區(qū)域沖蝕，組別定義及沖蝕區(qū)域如表1所示。

組1為未沖蝕的對(duì)照組原型葉片，另外3組分別根據(jù)展向、弦向范圍劃分沖蝕區(qū)域，作為試驗(yàn)組，比較葉片弦向與展向不同區(qū)域沖蝕對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。圖3為沖蝕后葉片呈現(xiàn)的表層褪色、砂眼、裂紋、小型凹坑、通腔砂眼等特征。沖蝕過程中沙粒的不規(guī)則尖角增強(qiáng)了對(duì)葉片表層的切削作用，顆粒在沖擊過程中剪應(yīng)力與正應(yīng)力共同作用，葉片表面開始產(chǎn)生細(xì)裂紋和細(xì)小砂眼，裂紋逐漸擴(kuò)展加劇呈現(xiàn)磨損范圍的擴(kuò)大直至大面積剝蝕。砂眼隨沖蝕時(shí)間不斷擴(kuò)大發(fā)展成小凹坑，纖維布層一旦外露很容易發(fā)生玻璃纖維斷裂，斷裂的玻璃纖維增多后磨蝕范圍和深度將加速擴(kuò)大，而沙粒此時(shí)在高風(fēng)速下進(jìn)入擴(kuò)大的凹坑內(nèi)，沖擊情況更為復(fù)雜，對(duì)葉片損傷加劇。

1.4 風(fēng)輪葉片功率特性試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)難以滿足大尺寸風(fēng)輪的實(shí)驗(yàn)條件，耗費(fèi)巨大，存在阻塞效應(yīng)［18］，并且洞壁和模型支撐架對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，而數(shù)值模擬常用等效粗糙度代替實(shí)際粗糙元［19］，難以評(píng)估粗糙度與實(shí)際的差異，并且對(duì)于三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的風(fēng)輪計(jì)算量大。結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)自然環(huán)境條件，采用車載法獲得不同磨蝕特征葉片風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。圖4為發(fā)電機(jī)組功率測(cè)試方案，發(fā)電機(jī)、輪轂、葉片和支架組成發(fā)電機(jī)組，將試驗(yàn)用葉片通過輪轂安裝在發(fā)電機(jī)輸出軸端，發(fā)電機(jī)與底座連接后固定于支架上。

試驗(yàn)選擇在內(nèi)蒙古呼和浩特市和林格爾縣一段南北向車道上進(jìn)行，該路段線路平直、車流量小，環(huán)境條件選擇盡量接近無自然風(fēng)狀態(tài)，或風(fēng)速與風(fēng)向大小對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小的時(shí)段。如圖5所示，發(fā)電機(jī)組直立固定于車后部，使風(fēng)輪縱向?qū)ΨQ面與試驗(yàn)車縱向?qū)ΨQ面重合，風(fēng)輪中心距離地面3.85 m，葉片掃略時(shí)最低點(diǎn)高出駕駛室頂部，避免車身對(duì)風(fēng)輪的影響；風(fēng)速儀固定于駕駛室上方，避開尾流區(qū)，位于風(fēng)輪前方扇形測(cè)量區(qū)域內(nèi)。測(cè)試時(shí)，車直線行駛過程中通過車速變化產(chǎn)生相應(yīng)流速風(fēng)場(chǎng)，帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，車速穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)某一風(fēng)速下的測(cè)試工況。

由葉素的二元翼型理論與受力分析可知，槳距角的改變會(huì)導(dǎo)致攻角變化，而攻角變化過程中翼型升阻力都會(huì)變化，從而影響葉片氣動(dòng)性能，因此，試驗(yàn)分析安裝角變化過程中不同磨蝕特征下葉片輸出功率變化，獲得磨蝕特征對(duì)于葉片氣動(dòng)性能與相對(duì)風(fēng)速之間關(guān)聯(lián)性的影響。在4種葉片磨蝕狀態(tài)下分別對(duì)應(yīng)不同安裝角，從啟動(dòng)風(fēng)速逐漸升高，多組多次測(cè)量，獲得磨蝕狀態(tài)、安裝角、風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系下的輸出電壓和電流值，得到輸出功率曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉片磨蝕特征下的風(fēng)輪輸出功率

采用比恩法對(duì)小于15 m/s風(fēng)速以0.5 m/s為比恩區(qū)間，大于15 m/s以1 m/s為比恩區(qū)間，按照式（1）、式（2）計(jì)算平均風(fēng)速和功率。

式中：[v]——平均風(fēng)速，m/s；[P]——平均功率，W；[vi]——第[i]組數(shù)據(jù)的風(fēng)速，m/s；[Pi]——第[i]組數(shù)據(jù)的功率，W；[m]——平均周期內(nèi)的數(shù)據(jù)數(shù)量。

根據(jù)動(dòng)量定理和葉素理論，風(fēng)作用在葉片上的力、葉片捕捉的風(fēng)能以及翼型升力、阻力均與空氣密度相關(guān)，而空氣密度受所處環(huán)境的溫度、氣壓影響，為了使不同條件和地區(qū)的風(fēng)力機(jī)性能有可比性，需將測(cè)得的發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)修正為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的數(shù)值。修正方法如式（3）、式（4）所示：

式中：[ρ]——試驗(yàn)時(shí)所處區(qū)域的空氣密度，kg/m3；[T]——環(huán)境溫度，K；[pt]——試驗(yàn)時(shí)所處區(qū)域的大氣壓強(qiáng)，kPa。

實(shí)測(cè)功率可根據(jù)式（4）換算成標(biāo)準(zhǔn)功率。

式中：[Pst]——修正后的標(biāo)準(zhǔn)功率，W；[Pte]——實(shí)測(cè)輸出功率，W。

根據(jù)每組試驗(yàn)的大氣壓強(qiáng)、溫度等環(huán)境參數(shù)，運(yùn)用式（3）和式（4）將不同環(huán)境條件下的試驗(yàn)功率結(jié)果修正到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，得到對(duì)應(yīng)區(qū)域磨蝕特征下不同安裝角的功率-風(fēng)速關(guān)系曲線。圖6為4組風(fēng)輪在不同安裝角下，采用車載法試驗(yàn)，并將結(jié)果修正到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境得到的輸出特性曲線。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，22.7°安裝角時(shí)，4組風(fēng)輪啟動(dòng)風(fēng)速范圍為3.3～4.4 m/s。如圖6a所示，風(fēng)速為6.7～8.2 m/s范圍時(shí)展向全沖蝕葉片風(fēng)輪輸出功率略大于其余3組風(fēng)輪，風(fēng)速大于8.2 m/s后，各組風(fēng)輪輸出功率差異逐漸明顯。與光滑葉片風(fēng)輪相比，壓力面前緣沖蝕葉片機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到10 m/s后，輸出功率小于未沖蝕葉片機(jī)組，且光滑葉片機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速增大而增大的趨勢(shì)更明顯。展向半沖蝕葉片機(jī)組在達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速的一段時(shí)間內(nèi)與光滑葉片機(jī)組輸出功率接近，而后光滑葉片機(jī)組輸出功率逐漸大于展向半沖蝕葉片機(jī)組。展向全沖蝕葉片機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速增大而增大的最為明顯，且大于另3組風(fēng)輪。展向全沖蝕葉片機(jī)組最先達(dá)到額定功率，而前緣沖蝕葉片機(jī)組達(dá)到額定功率所需風(fēng)速最大。

綜上所述，在剛達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段輸出功率受葉片磨蝕特征影響相對(duì)高風(fēng)速段小，中、高風(fēng)速下差異性增大，說明中、高風(fēng)速下磨蝕特征敏感性增強(qiáng)。展向全沖蝕葉片整體輸出功率高于光滑葉片，前緣沖蝕和展向半沖蝕葉片輸出功率整體呈現(xiàn)低于光滑葉片的趨勢(shì)，說明該安裝角時(shí)前緣和一定范圍內(nèi)的中后緣磨蝕導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)出力減小，氣動(dòng)性能劣化，帶來的摩擦阻力和能量損失較大，磨蝕范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至展向全沖蝕后，葉片表面砂眼、凹坑、脫層等磨蝕特征之間對(duì)表面氣流流動(dòng)、局部受力的相互影響表現(xiàn)出綜合效應(yīng)，形成展向能量流通通道的同時(shí)減弱了流體沿弦向的流動(dòng)，因此展向全沖蝕葉片的磨蝕特征對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生了積極影響。

31.7°安裝角下，4組風(fēng)輪啟動(dòng)風(fēng)速范圍為3.5～4.5 m/s。不同葉片風(fēng)電機(jī)組輸出功率整體均隨風(fēng)速增加而上升，沖蝕后的3組葉片風(fēng)電機(jī)組輸出功率整體都低于光滑葉片，其中展向全沖蝕葉片輸出功率的降低幅度最小。4組風(fēng)輪達(dá)到額定功率的風(fēng)速依次為12.2、13.2、13.7、12.7 m/s，光滑葉片風(fēng)電機(jī)組最先達(dá)到額定功率，展向半沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定功率所需風(fēng)速最大。

40.7°安裝角時(shí)，4組風(fēng)輪啟動(dòng)風(fēng)速范圍為4.3～4.7 m/s。4組不同磨蝕特征葉片風(fēng)電機(jī)組的輸出功率整體均隨風(fēng)速增加呈上升趨勢(shì)，其中前緣沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組的輸出功率整體均小于光滑葉片風(fēng)電機(jī)組的功率。展向全沖蝕和半沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組在中、高風(fēng)速下功率逐漸大于光滑葉片風(fēng)電機(jī)組。展向半沖蝕葉片最先達(dá)到額定功率，光滑葉片風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定功率所需風(fēng)速最大。

安裝角為49.7°時(shí)，同一風(fēng)速展向全沖蝕葉片風(fēng)輪組輸出功率均小于光滑葉片風(fēng)電機(jī)組；前緣沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)機(jī)組在15～17 m/s風(fēng)速區(qū)間與光滑葉片的輸出功率更為接近；展向半沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速大于14.2 m/s后輸出功率大于光滑葉片風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)風(fēng)速大于16.7 m/s后輸出功率隨風(fēng)速增加趨勢(shì)比光滑葉片更為明顯。

綜上可知，同一安裝角時(shí)，不同葉片非均勻磨蝕特征對(duì)輸出功率特性影響有明顯差異，前緣磨蝕總體引起風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的劣化，原因在于前緣磨蝕加劇了流動(dòng)分離，使升阻比下降，氣動(dòng)性能劣化。葉片弦向中尾部、展向不同范圍沖蝕的2組風(fēng)力機(jī)輸出功率結(jié)果表明，小安裝角展向沖蝕區(qū)域增大到全葉片能產(chǎn)生積極效應(yīng)，說明該工況下葉片表面凹坑產(chǎn)生的氣流旋渦、氣流流經(jīng)脫層產(chǎn)生的速度和壓差變化改變了邊界層底部流質(zhì)的能量和流動(dòng)方向，抗分離能力的提高對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生了積極效果。安裝角增大后，相對(duì)風(fēng)速與翼型弦向夾角改變，中尾部磨蝕特征的積極效應(yīng)僅體現(xiàn)在展向半沖蝕組，故實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)葉片弦向中尾部粗糙度的利用需綜合考慮沖蝕范圍和安裝角。3種非均勻磨蝕葉片隨安裝角增大，風(fēng)輪啟動(dòng)風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，氣動(dòng)性能下降，但隨著安裝角改變，不同磨蝕特征與光滑葉片相比氣動(dòng)性能的變化規(guī)律不一致，大安裝角下磨蝕葉片的氣動(dòng)性能與光滑葉片更接近。

2.2 不同葉片磨蝕特征下的風(fēng)能利用效率

風(fēng)力發(fā)電機(jī)從自然風(fēng)場(chǎng)中捕捉風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能過程中存在能量損失，常用風(fēng)能利用系數(shù)表征風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的效率，其公式為：

式中：[CP]——風(fēng)能利用系數(shù)；[Pout]——風(fēng)電機(jī)組輸出功率，W；[η]——發(fā)電機(jī)效率；[ρ]——空氣密度，kg/m3；[ν]——來流風(fēng)速，m/s；[A]——風(fēng)輪掃略面積，m3。

根據(jù)發(fā)電機(jī)功率曲線和效率曲線，可得到對(duì)應(yīng)輸出功率下的效率值，將空氣密度、來流風(fēng)速、風(fēng)輪掃略面積代入式（5），計(jì)算每組葉片風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)。以未沖蝕的光潔葉片風(fēng)電機(jī)組作為參照標(biāo)準(zhǔn)，通過各組與參照組間每個(gè)風(fēng)速區(qū)間平均風(fēng)能利用系數(shù)的變化率比較，分析葉片不同沖蝕磨損特征對(duì)風(fēng)能利用效率的影響。

圖7給出了安裝角分別為22.7°、31.7°、40.7°時(shí)3組不同沖蝕特征葉片風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)于參照組的變化情況。由圖7a可知，7.0～8.5 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，前緣沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組比光潔葉片風(fēng)電機(jī)組的平均風(fēng)能利用系數(shù)低，變化率由-7.4%逐漸縮小差異，風(fēng)速達(dá)到8.5 m/s后其平均風(fēng)能利用系數(shù)與光潔葉片非常接近。展向半沖蝕葉片風(fēng)電機(jī)組的平均風(fēng)能利用系數(shù)整體比光潔葉片風(fēng)電機(jī)組低；展向全沖蝕

葉片風(fēng)電機(jī)組的平均風(fēng)能利用系數(shù)整體比光潔葉片風(fēng)電機(jī)組高，變化率整體高出17%。由此可知，安裝角為22.7°時(shí)前緣磨蝕對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率的影響較小，弦向中尾部沖蝕磨損特征在一定范圍內(nèi)引起風(fēng)能利用系數(shù)的明顯降低，而隨著中部和尾緣沖蝕磨損面積進(jìn)一步增大，風(fēng)能利用系數(shù)反而提高。

安裝角為31.7°時(shí)，3種沖蝕磨損葉片風(fēng)電機(jī)組相比于光潔葉片風(fēng)電機(jī)組的[CP]值均明顯下降。風(fēng)電機(jī)組逐漸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，展向半沖蝕的磨損特征對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響最大，而展向全沖蝕特征相對(duì)影響較小。

安裝角為40.7°時(shí)展向全沖蝕特征在風(fēng)輪啟動(dòng)開始運(yùn)行初期對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響最大，風(fēng)速達(dá)到13.5 m/s后不同沖蝕磨損葉片相對(duì)于光潔葉片的[CP]值變化率差異性減小，展向半沖蝕特征整體對(duì)[CP]值變化產(chǎn)生積極影響，有利于風(fēng)能利用系數(shù)提高，前緣沖蝕則降低了風(fēng)能利用系數(shù)。

小安裝角下，加大葉片中尾緣在展向的沖蝕范圍表現(xiàn)出明顯的積極效果，磨蝕產(chǎn)生的凹坑及剝層等表面特征形成大量氣流回旋區(qū)，回旋氣流間的綜合作用減緩了流體流速，有利于增大上下翼面的壓差，從而提高葉片風(fēng)能捕捉能力。

3 結(jié) 論

通過沖蝕磨損裝置對(duì)1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片縮比模型進(jìn)行風(fēng)沙流沖蝕試驗(yàn)，沖蝕后的葉片安裝組成風(fēng)電機(jī)組后完成車載試驗(yàn)，得到3種葉片壓力面非均勻磨蝕特征在各安裝角下對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）前緣磨蝕對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的影響較為一致，在小安裝角下，均導(dǎo)致出力和輸出功率減小，氣動(dòng)性能下降。平均風(fēng)能利用系數(shù)在22.7°時(shí)受前緣磨蝕特征影響較小，安裝角增大后前緣磨蝕引起平均風(fēng)能利用系數(shù)下降。原因在于前緣磨蝕加劇葉片表面邊界層分離，加大摩擦阻力和動(dòng)量損失，引起升力下降和阻力上升。

2）葉片弦向中尾部磨蝕特征在22.7°、31.7°安裝角下，展向沖蝕區(qū)域?yàn)?/2≤r/R≤1范圍內(nèi)時(shí)引起氣動(dòng)性能的劣化，但隨著展向磨蝕范圍加大至全葉片后，氣流的回旋和流向改變，脫層臺(tái)階使氣流產(chǎn)生速度、壓差變化，改變了邊界層底部流質(zhì)能量和抗分離能力，使其表現(xiàn)出對(duì)氣動(dòng)性能的積極效應(yīng)。隨著安裝角增大，相對(duì)風(fēng)速與翼型弦向夾角改變，影響了葉片受力和近壁面氣流流動(dòng)情況，展向全沖蝕葉片引起氣動(dòng)性能劣化，而展向半沖蝕葉片呈現(xiàn)積極效應(yīng)趨勢(shì)。

3）1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片縮比模型在實(shí)際風(fēng)沙流吹蝕壓力面后呈現(xiàn)的非均勻磨蝕特征對(duì)氣動(dòng)性能的影響因沖蝕區(qū)域和安裝角不同呈現(xiàn)結(jié)果的差異性，前緣磨蝕總體使氣動(dòng)性能劣化，弦向中尾部沖蝕能在一定條件下獲得積極效應(yīng)，對(duì)于實(shí)際工程中葉片的制造和維護(hù)提供參考，在此基礎(chǔ)上弦向區(qū)域的細(xì)化、粗糙度敏感性的變化規(guī)律、全沖蝕葉片22.7°安裝角時(shí)積極效應(yīng)的普適性仍需進(jìn)一步理論和試驗(yàn)研究。

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INFLUNENCE OF NON-UNIFORM BLADE EROSION FEATURES ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF WIND TURBINE

Li Danlan，Chen Songli，Wan Daqian，Zhang Bo

（College of Energy and Transportation Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China）

Abstract：According to the characteristics of the northwest China sandstorm activities， the scaling model blades of 1.5 MW wind turbine were tested， the device that used to erode by wind-sand flow was designed， and the pressure side of blades were eroded along chordwise and spanwise areas respectively. The vehicle test was used to test the eroded wind turbine blades， and the influence of non-uniform erosion features on aerodynamic characteristics was studied in different regions of blades. Results show that output power of wind turbine and aerodynamic performance decrease under small installation angle on the leading edge erosion blades， and the wind-power utilization coefficient（[CP]） decreases more obviously when the installation angle is 31.7°. Output power and [CP] all decrease under small installation angle on the half erosion blades of spanwise areas， while the installation angle increases， the aerodynamic performance improves. The positive effect is found under small installation angle on total erosion blades of spanwise areas， while the installation angle increases， aerodynamic performance deteriorates.

Keywords：wind turbines； blades； erosion； aerodynamic characteristic； surface roughness