基于葉尖和葉根損失的大型風(fēng)力機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

宋佺珉 陶秋晗 徐冠群 曹智廣 吳天予

摘 要：目前我國(guó)的風(fēng)能開(kāi)發(fā)主要是通過(guò)傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)，由于理論極限和現(xiàn)實(shí)條件的影響，風(fēng)力機(jī)最多可吸收來(lái)流風(fēng)能中很少的能量。提高功率效率是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電研究的主要任務(wù)。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的能量主要來(lái)自相對(duì)風(fēng)速較高的葉片外部部分。在葉片根部和尖部，由于空氣動(dòng)力學(xué)效率低，很少量的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力。文章就增加在葉片根部增加導(dǎo)流盤(pán)和葉片尖部增加小翼以提高效率來(lái)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；葉尖小翼；導(dǎo)流盤(pán)；功率曲線

主體：

風(fēng)能的利用：風(fēng)能是由于空氣流動(dòng)產(chǎn)生的一系列能量，是太陽(yáng)能的一種特殊的轉(zhuǎn)化形式。具體表現(xiàn)在，當(dāng)太陽(yáng)照射地球表面時(shí)，由于各部分能量分布不均勻，導(dǎo)致各個(gè)溫度區(qū)域的大氣壓壓力各不相同，通過(guò)水平氣壓的作用，從而形成了風(fēng)這種豐富的資源。眾所周知，風(fēng)能儲(chǔ)量十分巨大，幾乎用之不竭，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，地球上一年可以開(kāi)發(fā)的風(fēng)能總量能達(dá)到十的十三次方千瓦時(shí)。雖然儲(chǔ)量巨大，且分布較廣。但由于它的能力密度過(guò)低，采集起來(lái)較為不易；另一方面，其不穩(wěn)定性也是一個(gè)較大的缺點(diǎn)。如果技術(shù)條件完善的話，風(fēng)能就能被充分的利用，成為能源結(jié)構(gòu)中重要的一環(huán)。

當(dāng)前的風(fēng)能利用工程技術(shù)，主流上是通過(guò)風(fēng)力機(jī)的媒介，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能、機(jī)械能等等。風(fēng)力機(jī)通過(guò)渦輪葉片，引入空氣中的氣流，從而實(shí)現(xiàn)葉片的旋轉(zhuǎn)，并且通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最終利用。國(guó)家風(fēng)能局?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量巨大，可開(kāi)發(fā)的約有10億千瓦時(shí)，而且無(wú)污染性、無(wú)窮性。而且對(duì)于內(nèi)陸交通不便電力傳輸?shù)牡貐^(qū)，可以自己發(fā)電，對(duì)于國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的改善有很好作用。

風(fēng)力機(jī)的發(fā)展史：

人類最早利用風(fēng)能是在公元前，古埃及人能夠設(shè)計(jì)風(fēng)帆來(lái)帶動(dòng)船只前進(jìn)，古波斯人通過(guò)垂直軸風(fēng)車碾米。

公元十世紀(jì)前后，西方開(kāi)始出現(xiàn)提水用的風(fēng)車，并且得到廣泛的使用。

公元19世紀(jì)，風(fēng)力機(jī)開(kāi)始產(chǎn)生用于發(fā)電的構(gòu)想，美國(guó)人Charles F. Brush研究設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這個(gè)樣式的風(fēng)力機(jī)具有很多葉片，可以實(shí)現(xiàn)一間小屋的供電。

不久之后，丹麥的科學(xué)家改良了風(fēng)力機(jī)，提出觀點(diǎn)少葉片高轉(zhuǎn)速的風(fēng)力機(jī)可以達(dá)到更高的功率并且將其成功的運(yùn)用于交流發(fā)電。

一戰(zhàn)后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力機(jī)的發(fā)展開(kāi)始走向大型化和高功率化。并且控制技術(shù)包括偏航和失速調(diào)節(jié)都不斷進(jìn)步用來(lái)提高風(fēng)力機(jī)效率。

新世紀(jì)以來(lái)，我們國(guó)家的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)才開(kāi)始起步，隨著國(guó)家政策的支持和技術(shù)的進(jìn)步，我們國(guó)家的風(fēng)電水平得到高速發(fā)展。

風(fēng)力機(jī)現(xiàn)狀：

傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)（Horizontal Axis Wind Turbine， HAWT）最多可吸收來(lái)流風(fēng)能中59.3%的能量，即Betz極限。由于各類氣動(dòng)損失、摩擦損失的存在以及結(jié)構(gòu)、加工等方面的限制，實(shí)際運(yùn)行中的單葉輪水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)效率很難超過(guò)53%。為提高風(fēng)力機(jī)的功率，最直接的想法是增加風(fēng)力機(jī)葉片尺寸，但是其整體氣動(dòng)效率的提升和尺寸無(wú)關(guān)。同時(shí)，風(fēng)力機(jī)尺寸的不斷增已經(jīng)產(chǎn)生了系列的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：葉片長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致葉片質(zhì)量非線性增加，使葉片葉根彎矩大幅增大，給葉片和輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加困難，所以從結(jié)構(gòu)安全性方面考慮，葉片和塔柱質(zhì)量大幅增加。一方面，過(guò)大的葉片自重需要更大的氣動(dòng)力來(lái)克服葉片重力做功，這樣會(huì)降低葉片的氣動(dòng)效率；另一方面過(guò)大的葉輪重量會(huì)對(duì)機(jī)組的整體載荷產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)軸承、塔架、傳動(dòng)鏈的受力產(chǎn)生明顯影響。而且過(guò)長(zhǎng)的葉片會(huì)增加制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的困難。

因此我們從仿生學(xué)中獲得靈感，針對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)，通過(guò)在葉片根部增加導(dǎo)流盤(pán)和在翼尖增加小翼的方法即可有效提高傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能吸收效率，從而避免了增大風(fēng)力機(jī)葉片尺寸帶來(lái)的種種麻煩。

導(dǎo)流盤(pán)能夠?qū)⒂行У奈諒娜~根流失的風(fēng)能，翼尖小翼能夠削弱葉尖紊流，從而提高風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，使風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率提高一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)增加了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

這種方法對(duì)市場(chǎng)上常見(jiàn)風(fēng)力機(jī)機(jī)型都具有適應(yīng)性。相比較其他對(duì)風(fēng)力機(jī)機(jī)型或葉片的改進(jìn)計(jì)劃，導(dǎo)流盤(pán)的增加省去了重新設(shè)計(jì)的麻煩，通過(guò)更有效的方式利用流過(guò)葉片根本部分的風(fēng)，從而提高風(fēng)力機(jī)整體性能。而且，葉片本身及其操作運(yùn)行等條件沒(méi)有改變。設(shè)計(jì)中唯一添加的附件是在主轉(zhuǎn)子軸線前面的圓盤(pán)。實(shí)際上它可以直接應(yīng)用于任何現(xiàn)有的HAWT。

葉尖小翼的設(shè)計(jì)：

由于翼型的特性，導(dǎo)致機(jī)翼上表面壓力大，下表面壓力小，所以在葉尖處會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是下表面壓力大導(dǎo)致氣流向上，上表面壓力小導(dǎo)致區(qū)域流動(dòng)，從而葉尖形成了渦流導(dǎo)致了阻力的大大上升，這就是我們?nèi)~素動(dòng)量理論中所提到的誘導(dǎo)阻力。于是我們從仿生學(xué)的角度考慮，從鳥(niǎo)類身上獲得了啟發(fā)，根據(jù)有關(guān)的研究表明，鳥(niǎo)類的翼尖結(jié)構(gòu)有效的降低了其飛行的阻力，也就是我們所說(shuō)的葉尖誘導(dǎo)阻力同時(shí)這樣的結(jié)構(gòu)也能降低氣動(dòng)噪聲，一舉兩得。這種仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)中，能夠達(dá)到類似的效果。有了翼尖折起的小翼之后，葉片下表面的氣流依然向上表面流動(dòng)，但由于翼尖小翼?yè)踝×藴u流，因此減小了葉片的誘導(dǎo)阻力。所以我們?cè)谌~尖安裝葉尖小翼來(lái)減小甚至消除葉尖的渦流是十分合理且有效的措施。

由于葉尖弦長(zhǎng)較小，可調(diào)整空間非常有限，僅通過(guò)葉尖施加反轉(zhuǎn)扭角效果也不理想。借鑒飛機(jī)機(jī)翼解決翼尖渦流的經(jīng)驗(yàn)，一種類似翼梢的葉尖小翼被應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組葉片中。加裝小翼，可以重整通過(guò)葉尖流場(chǎng)的氣流，有效地降低葉尖處誘導(dǎo)阻力，減少葉尖能量損失，從而提高原有風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，也有助于降低氣動(dòng)噪聲。新設(shè)計(jì)的葉片葉尖小翼預(yù)期將改善葉片的翼尖渦分布，將比現(xiàn)有的參考葉片擁有更高的風(fēng)能吸收效率。

導(dǎo)流盤(pán)的設(shè)計(jì)：

為了增強(qiáng)水平軸風(fēng)力機(jī)的性能，我們應(yīng)當(dāng)在旋轉(zhuǎn)葉片的最前方放置一個(gè)圓形導(dǎo)流盤(pán)來(lái)引導(dǎo)來(lái)流風(fēng)。這種做法能提高功率輸出，因?yàn)閯?dòng)能主要從相對(duì)風(fēng)速很高的葉片的外部的外部獲得。我們發(fā)現(xiàn)，如果有適合的半徑和到旋轉(zhuǎn)葉片的距離，安裝導(dǎo)流盤(pán)可以獲得額外最多1.5%的能量。

盡管過(guò)去的理論能夠有效地提高風(fēng)力機(jī)的性能和效率，但對(duì)現(xiàn)代風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，提高風(fēng)能效率仍然是一個(gè)主要的難題。這些年來(lái)，人們通過(guò)不斷的努力，不斷設(shè)計(jì)出越來(lái)越大型的風(fēng)力機(jī)，為的是提高容量和功率。一個(gè)提高氣動(dòng)性能的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出有高升阻比和低噪音水平的強(qiáng)健有力的翼型。有些設(shè)計(jì)者也會(huì)通過(guò)重新設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)改變翼型的厚度。目前，更高級(jí)的設(shè)計(jì)方法是結(jié)合葉片設(shè)計(jì)和翼型設(shè)計(jì)，從而來(lái)提高翼型在各種風(fēng)況下的適應(yīng)力。但是，目前很少有人研究在葉根處的氣動(dòng)性能，因?yàn)槠浜艿偷臍鈩?dòng)性能，人們無(wú)法直接使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)提升其性能。

另一方面，葉片根部的翼型的設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)載荷，因此氣動(dòng)性能比較低，一般穿過(guò)輪轂的風(fēng)能利用非常低效，葉片根部區(qū)域存在嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。這種漏風(fēng)損失可以通過(guò)更巧妙的設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)。如圖2所示，在輪轂的前面沿旋轉(zhuǎn)軸線放置一個(gè)圓盤(pán)，可以直接防止風(fēng)能大量流失。這個(gè)圓盤(pán)將起到一個(gè)導(dǎo)流的作用，將來(lái)流引到葉片的外部，從而使這部分風(fēng)能被更高氣動(dòng)性能的翼型所吸收并轉(zhuǎn)化為更多電能。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程將通過(guò)改變圓盤(pán)的尺寸、形態(tài)和與主轉(zhuǎn)子的距離來(lái)研究復(fù)雜流動(dòng)的狀況從而最終實(shí)現(xiàn)提高風(fēng)能捕捉效率的目的。

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作者簡(jiǎn)介：

宋佺珉（1997-），男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：江蘇溧陽(yáng)，學(xué)歷：本科。