渦流發生器在風力發電機組葉片上的應用

吳映芳，趙春妮，張立新，朱英偉

(中科國風科技有限公司 天津300456)

0 引 言

渦流發生器(VG)是一種能夠有效抑制邊界層分離的氣動附件，其應用可以追溯到20世紀40年代，如今它在航空領域已成熟應用。近來渦流發生器在風電葉片邊界層分離控制中也取得很好的效果，將其安裝于風電葉片葉根到葉中區域的吸力面，可實現抑制流動分離，增加葉片輸出功率的目的。渦流發生器的形狀、安裝位置及分布密度是影響風力機葉片性能的關鍵因素，同時渦流發生器的材質、與葉片的連接強度以及準確的安裝條件是增加風力機葉片出功的有效保障。本文采用通過風洞試驗優化其幾何特征后的渦流發生器，將其安裝于某高海拔風場機組(93機組)葉片，并對加裝渦流發生器前后葉片的年發電量進行評估，結果表明，僅僅加裝渦流發生器而不做其他改變，年發電量可提升 4%左右，如對整機進行控制策略的調整，年發電量還可進一步提升2%左右。

1 某風場葉片的氣動特性

該風場空氣密度較低，實測值為 0.9kg/m3，而設計狀態時的空氣密度為 1.225kg/m3，這就導致葉片的額定風速提高，葉片各切面攻角增加，如圖1所示，在風速 10.9m/s左右時，葉片的功率停滯不增，13m/s時才達到額定風速，10.9～13m/s風速區間段內葉片的發電量損失嚴重。

圖1 不同空氣密度下的功率分布圖Fig.1 Power distribution versus different air densities

2 加裝渦流發生器后葉片的氣動性能

業界已經有很多學者對渦流發生器的幾何特征開展了試驗和數值模擬的研究。Timmer等[1]通過表面壓力測試的方法，研究了大型風電葉片專用厚翼型DU97-W-300加裝渦流發生器后氣動特性的變化，如圖 2所示。可以看出葉片加裝渦流發生器可以推遲失速攻角，最大升力系數增加，提高升阻比，使翼型的升力系數從 1.55提高到 1.97，但是同時會增加阻力。郝禮書等[2]通過風洞試驗研究了渦流發生器布局方式對翼型失速流動的控制效果。張進等[3-4]探究了渦流發生器抑制超臨界翼型邊界層分離的原理，提出了渦流發生器的主要作用是減小阻力。適宜采用微型渦流發生器對超臨界翼型邊界層分離進行流動控制，其最佳位置應在分離點前 2～5倍渦流發生器高度之間。行業內渦流發生器在定槳葉片上已成功應用，如 LM1.0MW 葉片加裝渦流發生器后功率提高10%。

圖2 渦流發生器對翼型DU97-W-300氣動特性的影響Fig.2 Influence of vortex generator to aerodynamic performance of DU97-W-300

2.1 加裝渦流發生器前后的性能對比

基于圖1中葉片發電量損失的情況，現將設計好的渦流發生器粘貼在葉片上，旨在利用其能夠提高翼型最大升力系數、擴大升力系數線性區間的優勢改善葉片的氣動性能。加裝渦流發生器后葉片的λ-CP曲線對比如圖 3所示。從圖中可以看出，加裝渦流發生器后葉片在小尖速比(大風速)區域的 CP值明顯增加，即高 CP范圍擴大，葉片對大功角的敏感度降低，發電量增加。

圖3 加裝渦流發生前后的λ-CP曲線對比Fig.3 Comparison of λ-CP curves before and after installing vortex generator

2.2 加裝渦流發生器前后葉片的功率特性

加裝渦流發生器后該葉片的功率明顯提升，如圖4所示，其不同風速的發電量增加如表1所示，風速越高增加值越大。

圖4 加裝渦流發生器前后的功率分布圖Fig.4 Electrictity distribution before and after installing vortex generator

表1 加裝渦流發生器前后的功率對比Tab.1 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

續表1Tab.1 Continued

2.3 加裝渦流發生器前后的年發電量對比

如不對機組的控制器進行適當調整，那么加裝渦流發生器后，不同風速對應的年發電量大幅提升，如圖 5所示，年平均風速從 5.5m/s加大到 10m/s時，年發電量提升40%以上。

圖5 加裝渦流發生器前后的年發電量Fig.5 Comparison of annual power generationbefore and after installing vortex generator

如對 93機組的控制策略進行調整，使葉片在進入功率不增的區域前提前變槳，減小攻角，使葉片的翼型的升力系數進入線性區間，則功率不增區域消失。此種情況仍然沒有加裝渦流發生器的功率及年發電量高，如圖6、7所示。

圖6 加裝渦流發生前后的電功率對比Fig.6 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

圖7 加裝渦流發生器與機組提前變槳的年發電量對比Fig.7 Comparison of annual power generation to installing vortex generator and pitching in advance of wind turbine

3 不同外形葉片加裝渦流發生器后氣動性能對比

不同外形的葉片加裝渦流發生器后葉片的增功效果有所不同，影響其提升效果的主要參數包括葉片的尖速比、葉片的額定風速，這些參數的不同會導致葉片在較低空氣密度下運行時翼型的攻角大不相同。渦流發生器使原有翼型的失速攻角推遲，最大升力系數增加，即在線性區間段內攻角越大，增功效果越明顯(可參見圖2)。

表2和圖8、9分別列出了空氣密度為0.9kg/m3時兩款機型對應葉片的氣動性能參數。從表2可以看出，兩款葉片的尖速比相差較大，額定風速也有所不同，93機組葉片的翼型實際攻角比87機組大，因此，較低空氣密度時，93機組更容易出現功率提升緩慢(或不增)的一個過渡區(圖 9)，而 87機組未出現此過渡區(圖8)。

表2 87機組和93機組葉片參數對比Tab.2 Comparison of blade parameter on 87 and 93 wind turbine

圖8 87機組葉片加裝渦流發生器前后功率分布圖Fig.8 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 87 wind turbine

圖9 93機組葉片加裝渦流發生器前后功率分布圖Fig.9 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 93 wind turbine

從圖 10可以看出，87機組和 93機組葉片在加裝渦流發生器后年發電量都有所提升，不同年平均風速下，93機組葉片的年發電增加更多，比 87機組葉片增加約 1%。這是因為 93機組葉片加裝渦流發生器位置處翼型的升力系數增加更多。

圖10 87和93機組葉片加裝渦流發生器后發電量提升分布Fig.10 Increasing annual power production distribution before and after installing vortex generator on 93 and wind turbine

4 結 論

通過以上討論分析可以看出，較低空氣密度下葉片額定風速越大，加裝渦流發生器后的增功效果越明顯，適合加裝渦流發生器的葉片有如下幾種情況:①變槳葉片。低空氣密度下，葉片的額定風速比設計工況高，在額定風速附近葉片的攻角增大，加裝渦流發生器后可避免葉片失速，增加年發電量。葉片氣動性能不佳，風速和轉速不能匹配時，葉片的攻角增大，加裝渦流發生器有助于改善葉片的氣動性能，增加發電量。②定槳葉片。定槳葉片的額定風速較大，葉片的攻角較大，可以加裝渦流發生器，增功效果顯著。

需要補充的一點是渦流發生器作為葉片的一部分，一旦被應用將陪伴葉片使用終身，它的選材及安裝方式的可靠性也是值得關注和推敲的。