引言

風(fēng)力發(fā)電是獲得清潔、可再生能源的主要技術(shù)形式之一。近年來,國內(nèi)外的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,對相關(guān)的設(shè)計技術(shù)提出了更高的要求。由于風(fēng)電葉片是實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié),對機組的整體性能影響很大,有關(guān)的設(shè)計方法始終是研究的熱點。

翼型作為葉片外形設(shè)計的基礎(chǔ),對葉片的空氣動力特性和質(zhì)量有重要的影響。目前風(fēng)電葉片設(shè)計一般以低速飛機的航空翼型為基礎(chǔ),并進(jìn)行必要的改型。但由此帶來的葉片結(jié)構(gòu)與其氣動性能矛盾突出,已成為大型風(fēng)電葉片設(shè)計過程中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。為設(shè)計出更長的葉片,需要研究解決上述問題的方法,以有效提高葉片設(shè)計質(zhì)量、降低葉片成本,為開發(fā)更大功率的風(fēng)力發(fā)電機組提供技術(shù)支持。

1風(fēng)電葉片應(yīng)用航空翼型的局限性

低速航空翼型一般具有較好的氣動性能,因而在風(fēng)電葉片設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于這些翼型的雷諾數(shù)相對較高且厚弦比較小,往往難以在大型風(fēng)電葉片的根部區(qū)域直接應(yīng)用,需要考慮并解決以下問題:

(1)大型風(fēng)電葉片的雷諾數(shù)普遍較低,特別是在葉片與輪轂連接的區(qū)域,若直接采用適用于高雷諾數(shù)的航空翼型則很容易發(fā)生氣流分離,造成氣動力的顯著損失和葉片失速,導(dǎo)致葉片載荷增大。

(2)為滿足葉片與輪轂連接的區(qū)域結(jié)構(gòu)和強度的要求,必須加大這部分截面翼型的厚度,但相應(yīng)的翼型弦長也會加大,可能超出風(fēng)電葉片允許的范圍。

(3)對于變槳矩控制的風(fēng)電機組,葉片與輪轂聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)要求葉片根部呈圓筒狀外形,使氣動性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的矛盾更加突出。

為解決這些問題,迄今風(fēng)電葉片多采取對航空翼型截頭去尾的改型設(shè)計方法。此方法雖能滿足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,但對其氣動性能的影響卻比較大。簡單地削除原有翼型的前緣和后緣,可能會破壞葉片上、下表面的完整性,造成翼型表面部分升力丟失,導(dǎo)致翼型氣動性能顯著降低。

2鈍后緣翼型的分析

211 鈍后緣翼型

鈍后緣翼型是針對大型風(fēng)電葉片根部區(qū)域低雷諾數(shù)、高結(jié)構(gòu)強度的要求,對低速航空翼型的一種改型設(shè)計。其基本方法是以原翼型的前緣為鉸點,按一定相對弦長厚度比分開后緣。

212 鈍后緣翼型的結(jié)構(gòu)和氣動特性

圖1所示TR-35-10型風(fēng)電葉片翼型,是一種以TR-35型尖后緣航空翼型為基礎(chǔ),通過鈍后緣方法增加10%厚度的改進(jìn)翼型。

(1)鈍后緣翼型的基本結(jié)構(gòu)特性

對于給定厚度的翼型,鈍后緣翼型可以增加葉片的截面面積和慣性矩,從而使其抗彎和抗扭性能得到提高。


圖1后緣削平的TR-35-10翼型

(2)空氣動力特性

鈍后緣翼型可以增加其截面的最大升力系數(shù)和升力曲線斜率,因而對降低翼型的污染敏感度有利。

考慮到吸力面的氣流速度將隨翼型厚度增加,同時相應(yīng)的壓力減小;而在翼型后緣區(qū)域的氣流會減速,剩余的動能若不足以抵抗強烈的逆壓梯度,將導(dǎo)致氣流在翼型后緣可能提前分離,損失部分升力。鈍后緣翼型采取以其前緣為鉸點增加后緣厚度的方法,可以在增加翼型最大厚度的同時,相應(yīng)地降低氣流通過截面最厚點后的逆壓梯度,從而能推遲或避免氣流的分離,并在后緣的后端形成一個與邊界層自適應(yīng)的尖后緣,使氣流一直附著在翼型表面,改善其氣動性能。



圖2鈍后緣對翼型氣動性能的影響

通過以上討論可知,從空氣動力學(xué)角度看,TR-35-10采用的鈍后緣翼型設(shè)計方法不僅能夠提高翼型的最大升力系數(shù),同時也可以降低對葉面污染的敏感性，因此,以鈍后緣翼型作為對低速航空翼型改進(jìn)設(shè)計的基礎(chǔ),是改善風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)與氣動特性的一種可行方法。

3葉片的翼型分布

鑒于大型風(fēng)電葉片長達(dá)數(shù)十米,翼型厚度的增加勢必會對葉片質(zhì)量、載荷分布和制造成本產(chǎn)生較大影響。因此,簡單地采取沿葉片長度均勻增大翼型厚度的改型設(shè)計方法顯然不盡合理,需要進(jìn)一步研究沿葉片展向翼型的分布問題。

311 葉片設(shè)計的結(jié)構(gòu)系數(shù)

根據(jù)實際運行經(jīng)驗,國外學(xué)者曾針對某種風(fēng)電葉片,以對應(yīng)55%風(fēng)輪半徑的葉片長度(0155r/R)為參考值,劃分葉片的內(nèi)外區(qū)域;對位于葉根附近的內(nèi)區(qū)域以結(jié)構(gòu)特性為主,而在靠近葉尖的外區(qū)域以氣動特性為主的翼型設(shè)計方案進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明,這種方案能有效地增強葉片的結(jié)構(gòu)強度,同時也可以較好地滿足葉片的整體氣動性能的要求。

應(yīng)指出:由于上述劃分葉片內(nèi)外區(qū)域的方案是針對特定葉片的性能試驗提出,其定義尚不夠明確。有鑒于風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)形式和基本參數(shù)(如功率、風(fēng)輪半徑、葉片長度等)差別很大,同時考慮到葉片一般是作為風(fēng)電機組的獨立部件,需要對此問題作進(jìn)一步研究,以形成一種可行的設(shè)計方法供葉片設(shè)計過程采用。

通過對大型風(fēng)電葉片設(shè)計要求和方法的分析,針對葉片翼型改進(jìn)設(shè)計中氣動性能與結(jié)構(gòu)強度的矛盾,有必要設(shè)立一葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)J。


以一定的J值為界,沿風(fēng)輪半徑增大的方向,將葉片劃分為內(nèi)圈和外圈兩個區(qū)域。

在葉片的內(nèi)圈部分可考慮以結(jié)構(gòu)特性為主的翼 型設(shè)計方案;而在葉片的外圈區(qū)域則以氣動特性為主進(jìn)行翼型的設(shè)計。


圖3 葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)的定義

系數(shù)J的取值,應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的具體設(shè)計要求,如機組總體結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和載荷情況等因素確定。顯然,J值對葉片的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大的影響,且與機組的性能密切相關(guān),應(yīng)考慮將其作為大型風(fēng)電葉片設(shè)計的基本參數(shù)之一。因此,結(jié)構(gòu)系數(shù)J不應(yīng)是一個定值,還需要深入研究其內(nèi)在規(guī)律以及對設(shè)計要求的影響,逐漸形成相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或葉片優(yōu)化設(shè)計的基本約束條件。

312 葉片內(nèi)外圈翼型的選擇

由于大型風(fēng)電葉片長數(shù)十米,質(zhì)量以噸計,內(nèi)圈區(qū)域所承受的彎曲和疲勞載荷很大,因此設(shè)法加強該區(qū)域的強度是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。研究表明,在內(nèi)圈區(qū)域采用鈍后緣翼型增加葉片截面厚度對改善葉片結(jié)構(gòu)強度極其有利,同時也是減小葉片單位體積質(zhì)量,避免葉片成本隨長度成冪律增長的主要途徑。一般意義上,可以考慮沿葉片展向從葉尖開始從薄到厚的翼型分布設(shè)計,滿足葉片氣動和結(jié)構(gòu)性能的要求。

雖然鈍后緣翼型會增加截面阻力,但是由于分離點的推遲,降低了因氣流分離而引起的阻力壓差,而這部分阻力在總阻力中所占的比重是隨攻角而增大的。所以在具有較大攻角的葉片內(nèi)圈區(qū)域,采用鈍后緣翼型,無論從結(jié)構(gòu)力學(xué)還是空氣動力學(xué)角度看都是合理的。 但對于葉片外圈區(qū)域而言,主要設(shè)計要求是最大限度地發(fā)揮其氣動性能,一般應(yīng)使其攻角處于最佳值。在此條件下,型阻將占較大比例,但葉片相應(yīng)的結(jié)構(gòu)載荷卻比較小,故在外圈區(qū)域不應(yīng)采用鈍后緣加厚翼型。

實際上,由于外圈區(qū)域相對力臂長,選擇高升阻比的翼型對提高葉輪整體的氣動性能十分有利。因此,在葉片的外圈區(qū)域設(shè)計中,宜更多地關(guān)注升阻比較高的翼型(如NREL的S831、S830等),考慮選擇此類尖后緣且較薄的翼型。

以某變槳矩控制風(fēng)電機組的葉片設(shè)計為例,原設(shè)計在0175R和0195R處翼型分別選用S817和S816翼型,但這2種翼型是針對失速控制風(fēng)電機組設(shè)計的,最大升力系數(shù)較低,氣動性能一般。后采用翼弦較短、升阻比更高的S830和S831翼型,S831位與0190R處,其最大相對厚度x/c=0118,設(shè)計升力系數(shù)為115;S830作為外圈最主要的0175R處翼型,x/c=0121,設(shè)計升力系數(shù)為116,這種設(shè)計布局較大地提高了該葉片的氣動性能。

313 葉片內(nèi)圈翼型與整體氣動性能的關(guān)系

從風(fēng)電機組的總體設(shè)計觀點看,風(fēng)電葉片氣動設(shè)計的主要目標(biāo)是產(chǎn)生盡可能大的轉(zhuǎn)矩,且沿葉輪軸向的推力較小。然而,在葉片的氣動設(shè)計過程中,



 

圖4削平后緣對轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響

4 結(jié)論

(1)提出葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)J,并給出該系數(shù)的明確定義。以J為界,可將葉片分為內(nèi)圈和外圈區(qū)域。

(2)對于大型葉片的內(nèi)圈部分的翼型設(shè)計,可著重于結(jié)構(gòu)要求,采用鈍后緣的改進(jìn)翼型設(shè)計,以提高葉片截面的結(jié)構(gòu)強度,同時維持較好的氣動性能。

(3)沿葉片的展向采用改進(jìn)翼型截面與航空翼型截面相結(jié)合的布局方式,可有效地緩解葉片氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計的矛盾,在葉片外圈區(qū)域宜采用升阻比較高的薄翼型。

(4)結(jié)構(gòu)系數(shù)J的取值對葉片的結(jié)構(gòu)和氣動性能有重要的影響,應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和目標(biāo)確定。