風力機智能葉片氣動特性研究

Study on aerodynamic performance of smart rotor for wind turbine

何科杉1,2，石永超2

（1. 汕頭職業技術學院 機電工程系，汕頭 515078；2. 汕頭大學 工學院，汕頭 515063）

HE Ke-shan1,2,　SHI Yong-chao2

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風力機智能葉片氣動特性研究

Study on aerodynamic performance of smart rotor for wind turbine

何科杉1,2，石永超2

（1. 汕頭職業技術學院 機電工程系，汕頭 515078；2. 汕頭大學 工學院，汕頭 515063）

HE Ke-shan1,2,SHI Yong-chao2

摘要：全球能源危機和環境污染問題有力地推動了以風能為代表的新能源產業的發展，風電裝備制造技術成為我國風電產業可持續發展的瓶頸。為了降低風力發電成本，風力機大型化是必然的發展趨勢，但也帶來了葉片慣性過大，控制響應過慢等結構和控制的一系列問題。智能葉片技術的提出為解決傳統變槳矩控制局限性提供了新方法，但智能葉片的氣動特性與控制方式等核心技術有待進一步開展研究。通過研究安裝尾緣襟翼的智能葉片的氣動參數與尾緣襟翼占弦長，尾緣襟翼偏轉角，攻角的變化規律，可為智能葉片控制系統設計提供參考依據，完善智能葉片技術，從而提升風電裝備制造技術水平。

關鍵詞：風力機；智能葉片；尾緣襟翼；氣動特性

0　引言

全球能源危機和環境污染問題推動了新能源的開發與利用，風能作為種可再生的清潔能源，已經成為世界各國的新能源發展的重要方向。我國正在大力發展風電產業，近幾年風電裝機容量增長均處于世界前列，風電裝備制造產業成為國家戰略新興產業。風電裝備制造核心技術不足成為阻礙我國風電產業持續發展的瓶頸，通過研發先進的風電裝備制造技術，提高風電產業的技術水平，是我國風電產業發展的必由之路。為了降低風力發電成本，風力機大型化是必然的發展趨勢[1-2]。風力機大型化使葉片的長度的不斷增大，葉片長度增加使葉片傳統的變槳距控制局限性越來越明顯，主要表現在以下個方面：1）大型風力機葉片慣性較大，變速變槳控制難以應對湍流風況下快速變化的氣動載荷；2）由于葉片過大載荷沿葉片分布不均，變速變槳控制無法針對葉片局部載荷施加有效控制；3）過度使用變槳控制易導致變槳裝置疲勞損壞[3～5]。針對傳統變槳距控制的不足，研究人員提出了“智能葉片”概念，即在葉片安裝套由傳感器、控制器、執行器及氣動裝置組成的智能控制系統[6～8]。智能葉片對風力機葉片局部形態和周邊流場進行控制，產生失速延遲或弦線變化從而快速調節葉片氣動載荷，善葉片的氣動特性。智能葉片具有慣性小、響應快速、局部可調等優點，可與變槳距控制協調工作對風力機載荷及功率進行有效的控制。智能葉片氣動裝置類型主要包括尾緣襟翼、微伸縮片、主動扭轉、中弧線主動變形等，其中尾緣襟翼模仿飛機機翼上添加襟翼的做法，將飛機機翼上的襟翼概念移植到風力機葉片上，具有氣動調節效果好，反應速度快，良好的結構和安全特性，較易在風力機上應用等優點，被認為是最具可行性的氣動裝置[9～12]。智能葉片為大型化風力機葉片設計與制造提供種新的思路，彌補了變槳距控制的不足，可以有效的降低葉片的氣動載荷，穩定輸出功率，降低風力發電成本，具有廣闊的應用前景；但智能葉片的氣動特性和控制方式等核心技術還未有待進步展開研究。本文應用風力機葉片翼型氣動分析代碼Xfoil對安裝尾緣襟翼的智能葉片氣動特性做了深入研究和分析，可為風力機智能葉片的設計制造提供參考依據。

1　安裝尾緣襟翼的智能葉片氣動特性研究

1.1研究方法及可靠性驗證

參考翼型采用美國可再生能源實驗室設計的5MW風力機葉片的NACA64-618層流翼型，該翼型特點是上表面較平坦，可較好的保持層流流動，減少摩擦阻力。以NACA64-618翼型做為基礎翼型加入尾緣襟翼，研究尾緣襟翼占弦長、偏角對翼型氣動特性的影響作用。采用Xfoil計算研究翼型升力系數，阻力系數，升阻比，力矩系數等氣動參數隨翼型攻角為-20°～20°、尾緣襟翼偏角為-20°～20°、占弦長為5%～30%之間的氣動參數變化規律。選取取雷諾數Re為6.0×106，采用Xfoil計算攻角分別為-3°、0°、3°時的翼型氣動參數，與美國NASA國家風洞實驗室中心的風洞實驗實測數據比對，如表1所示。

表1　Xfoil計算數據與與風洞實驗數據對照表

數據對比表明，升力系數Cl的相對偏差分別為0，0.0074和0.0076，阻力系數Cd的相對偏差為0,0.5和0.5。升力系數和阻力系數的相對偏差較小，力矩系數的數值偏小，造成相對偏差較大，但對翼型氣動性能研究影響不大。通過數據對比分析，可知翼型小攻角范圍內Xfoil計算數據與美國NASA風洞實驗數據基本致，誤差在可以接受的范圍之內。

1.2尾緣襟翼占弦長對翼型氣動參數的影響

選取NACA64-618翼型添加尾緣襟翼，固定攻角為4°，尾緣襟翼偏轉角為5°，取雷諾數Re為2.0×105，尾緣襟翼占弦長范圍由5%變化至30%，通過Xfoil計算翼型氣動參數隨尾緣襟翼占弦長變化的數值，通過數據處理和分析，得到翼型氣動特性參數（包括升力系數Cl，阻力系數Cd，升阻比Cl/Cd，力矩系數Cm），如圖1所示。

計算結果表明，尾緣襟翼占弦長由5%～30%的變化范圍內，NACA64-618翼型的升力系數Cl連續上升，當尾緣襟翼占弦長達到28%時升力系數達到最大值1.1568，隨后升力系數略微下降。阻力系數Cd隨尾緣襟翼占弦長變化不大，始終處于0.020～0.021范圍內。升阻比系數Cl/Cd在尾緣襟翼占弦長5%～30%區間內逐漸上升，在尾緣襟翼占弦長為28%時達到最大值55.3493，此時翼型氣動性能達到最優狀態，隨后升阻比逐漸下降。力矩系數Cm的絕對值大小首先在占弦長的變化范圍內直增大，在占弦長為25%時達到最大值0.1444，隨后力矩系數逐漸下降。

圖1　翼型氣動參數隨尾緣襟翼占弦長的變化關系

1.3攻角對添加尾緣襟翼翼型氣動參數的影響

選取尾緣襟翼占弦長為5%，在雷諾數為6.0×105，采用Xfoil計算添加尾緣襟翼的NACA64-618翼型氣動參數，尾緣襟翼偏轉角分別為-5°，0°，5°，得到攻角與翼型氣動參數的變化關系，如圖2所示。

圖2　翼型氣動參數與攻角的關系

1.4尾緣襟翼偏轉角對翼型氣動參數的影響

選取來流攻角為3°，尾緣襟翼占弦長為5%，雷諾數為6.0×106，采用Xfoil計算得到尾緣襟翼偏轉角與翼型氣動參數的變化關系圖，如圖3所示。

計算結果表明，尾緣襟翼偏轉角由-20°～20°的范圍之內，翼型的升力系數、阻力系數持續提高，在尾緣襟翼偏轉角達到11°時升力系數增長減緩，阻力系數增長加快，翼型升阻比先持續增長，并在11°時達到最大194.58054，隨后升阻比隨著尾緣襟翼偏轉角增大逐漸下降，翼型力矩系數的絕對值也直隨著尾緣襟翼偏轉角持續增大。

圖3　翼型氣動特性參數與尾緣襟翼偏轉角關系圖

1.5實驗結論

添加尾緣襟翼對風力機智能葉片翼型氣動特性的主要影響如下：

1）尾緣襟翼占弦長5%～30%的范圍內，翼型升力系數逐漸上升，在達到峰值（28%）后降低；阻力系數始終在個較小的區間內穩步上升；尾緣襟翼占弦長存在個較優的取值范圍。

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2）攻角從-20°～20°范圍內，尾緣襟翼偏轉角變化會導致翼型氣動參數曲線偏移，當尾緣襟翼向下偏轉（正向）時，升力系數曲線向左偏移，且失速點提前；當尾緣襟翼向上偏轉（負向）時，升力系數曲線向右偏移，且失速點延遲。該氣動參數變化規律可用于智能葉片氣動控制設計。

2　結束語

風力機智能葉片技術作為變槳矩控制技術的有力補充，與變槳矩控制系統共同作用，可使風力機功率輸出保持穩定性，并減小風力機承受的氣動載荷，提高風力機的使用壽命，降低風力發電成本，具有廣闊的工程應用前景。

參考文獻：

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作者簡介：何科杉（1981 -），男，廣東揭陽人，講師，博士，研究方向為風能利用及風力機械。

基金項目：廣東省自然科學基金資助重點項目：大型風力機柔性葉片氣動彈性問題研究（S2012020011095）；汕頭職業技術學院科研項目：風力機主動減載控制技術研究（SZK2014Y20）；汕頭職業技術學院創新強校項目：大型風力機智能控制技術研究與應用（STP-ZZ-016）

收稿日期：2015-12-14

中圖分類號：TH122；TK83

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0061-03