渦流發生器在風力發電機組葉片上的應用

苗濤

摘要：本文簡單介紹了渦流發生器，以某風場為例，探究了葉片的氣動特性，以及加裝渦流發生器之后的葉片氣動特性，探究了在不同外形葉片上加裝渦流發生器之后的氣動性能對比。

關鍵詞：渦流發生器;風力發電機;葉片

前言

由于渦流發生器可以產生較高強度的葉尖渦，可以使翼型的氣動性能得到有效改善，所以被廣泛應用于航空界。伴隨相關研究人員對風力發電的進一步研究，業界也越來越重視在風電葉片上應用渦流發生器的探索。通過計算和研究相關的數據，確認要提升2%左右的葉片年發電，不僅與渦流發生器的安裝位置、分布密度、幾何形狀等參數有直接聯系之外，還和葉片自身的氣動性能關聯。因此，下文將針對渦流發生器在風里發電機組葉片上的應用展開分析探究。

1.渦流發生器簡析

渦流發生器可以有效使邊界層所分離的氣動附件得到抑制，在20世紀40年代就已經應用到了渦流發生器，渦流發生器在現階段的航空領域也廣泛應用，而且應用和發展正慢慢成熟化。在風電葉片邊界層的分離控制中應用渦流發生器具有良好的效果，為使抑制流動分離得到實現，將葉片的輸出功率增加，需要在風電葉片葉根到葉中區域的吸力面安全渦流發生器[1]。風力機葉片性能會受到安裝渦流發生器的位置還有渦流發生器的形狀的影響，并且風力葉片機的出功要想得到增加，就要嚴格按照渦流發生器的安全標準和安裝條件來進行，確保連接葉片的強度達到相關的要求，同時還要選擇合適的渦流發生器材質[2]。

優化幾何特征的渦流發生器將通過開展風洞試驗來進行，并將在某個高海拔的風場機組葉片上安裝渦流發生器，然后針對安裝上渦流發生器的葉片展開評估，主要評估年發電量在安裝之前和之后的變化的，并且在評估結果中可以知道，要是只加裝渦流發生器之后不會有其他改變，可以提升4%左右的年發電量，要是調整控制整機的測量，還可以進一步提高2%左右的年發電量[3]。

2.某風場的葉片氣動特性

此風場的空氣密度不高，0.9kg/m3為實測值，空氣密度為1.236kg/m3的時候是設計狀態，葉片的額定風速在這種狀態的時候可以得到提升，葉片各切面攻角也會得到相應增加，在風速為10.8m/s左右的時候，葉片的狀態屬于停滯不增，達到額定的風速是在13m/s的時候，而葉片發電量損失嚴重在10.8—12m/s的風速區間段。

3.加裝渦流發生器在葉片之后的葉片氣動性能

有很多研究人員針對渦流發生器的幾何特征展開了數值模擬試驗，表面壓力的測試方法被Timmer等應用，其將渦流發生器加裝在大型風電葉片專用厚翼型DU97-W-300，并進行了相關的測試，經過測試研究可以知道氣動特性在加裝渦流發生器之后有了變化，通過圖1可以知道，渦流發生器在葉片上得到加裝之后，失速攻角在很大程度上得到了延遲了，并且促使最大升力吸住提升，同時升阻比和翼型升力系數也有了變化，得到了相應提高，再次技術上阻力也有所增加。

3.1性能在加裝渦流發生器之前和之后的對比

以葉片發電量損失情況為基礎，為了確保翼型最大的升力系數得到有效增加，保證擴大升力系數的線性區間所具有的優勢，同時合理的改善葉片的氣動性能，需要在葉片上粘貼設計好的渦流發生器。當葉片加裝了渦流發生器之后，圖2是曲線對比圖[4]。通過圖2可以知道，渦流發生器加裝完成之后，葉片在小尖速比大風速區域的Cp值增加較為明顯，Cp的范圍得到擴展，葉片對于大功角的敏感度有所降低，發電量得到增加。

3.2葉片在加裝渦流發生器前后的功率特性

加裝渦流發生器在該葉片之后，在一定程度上提高了葉片的功率，變化可以通過圖3看出，不同風速發電量的增加情況在圖4得到說明了，風值要是越高，那么增加值也隨之變化。

3.3加裝渦流發生器之前和之后的年發電量變化對比

不同機組的控制器要是沒有得到相應的調整，且調整不具備適當性，即使渦流發生器在加裝完成之后，不同風速所對應的年發電量會得到很大程度的提高。通過圖5可以知道，年平均風速從5.4m/s提升到11m/s的時候，明顯提升了40%以上的年發電量[5]。

針對機組控制策略進行完善與優化，可以確保葉片在進入到功率不增的區域之前，變槳可提前進行，才能減小攻角，進而保證在線性區間可以有葉片翼型升力吸住進入，那么不增加功率的區域會消失。

4.對比不同外形葉片加裝渦流發生器之后的氣動性能

加裝渦流發生器在不同外形的葉片上，葉片增功的效果也會不一樣，葉片額定風速、葉片尖速比等相關的主要參數都會影響到葉片的提升效果，要是這些參數不一樣，那么就會造成葉片的運行要是處于較低的空氣密度下，那么翼型的攻角也會具有較大差異性。原有的翼行失速角在渦流發生器的作用下得到推遲，最大升力系數得到明顯提升，線性區間段的內攻角越大，那么增功效果也就會越明顯，增功效果隨著內攻角的變化而變化。

圖6、圖7、圖8分別列出了兩款機型在0.9kg/m3空氣密度時候相應的葉片的氣動性能參數。并且通過圖7可以看出，兩款葉片的尖速比都不一樣，額定風速也具有差異性，93機組葉片的翼型實際攻角相較于87機組的翼型實際攻角要大一些，所以，要是空氣密度較低的時候，93機組更容易有功率提升緩慢或者過渡區出現，但是87機組沒有過渡區出現。

從圖9可以看出，在加裝渦流發生器之后，有效提升了93機組葉片和87機組葉片的年發電量，但是在不同年平均風速之下，年發電量增加更多一些的是93機組葉片，93機組葉片與87機組的葉片相比較來說，增加了1%左右，主要由于在93機組葉片加裝渦流發生器位于翼型升力系數增加的的位置[6]。

此外，還分析了另外一個機組加裝渦流發生器前后的功率曲線對比，通過圖10可以知道，當來流風速低于12m/s的時候，對于機組發電功率的營銷不大，但是要是風速高于12m/s，那么渦流發生器的作用就會特別明顯。

結束語

上文針對渦流發生器，還有葉片的氣動特性，以及渦流發生器在得到加裝之后的葉片氣動特性和不同外形葉片加裝渦流發生器之后的氣動性能對比展開了相關的分析探究。我們可以知道，當額定風速在較低空氣密度的情況下，葉片適合加裝渦流發生器的類型有變槳葉片和定槳葉片。變槳葉片處于低空氣密度的時候，葉片的額定風速相較于設計工況，前者的額定風速要高一些，當額定風速附近有葉片的時候，會增加攻角，在完成渦流發生器的加裝之后，可在一定程度上避免葉片有失速問題出現，進而提高和增加年發電量。但是，要是葉片氣動性能達不到目標效果，轉速和風速不具備適應性，那么在此時葉片攻角會增大，為使葉片氣動性能得到改善，同時增加發電量，需要進行渦流發生器的加裝。而定槳葉片的額定風速較大，葉片的攻角也相對較大，為了使增功效果得到突出，并且將提增功效果提升，可以通過加裝渦流發生器來實現。此外，葉片的組成部分中也包括了渦流發生器，要是應用了渦流發生器，務必要同葉片一起使用終生，所以，在選擇渦流發生器材料的時候，以及安裝渦流發生器的時候，也必須要嚴格控制。

參考文獻

[1]吳映芳， 趙春妮， 張立新. 渦流發生器在風力發電機組葉片上的應用[J]. 天津科技， 45（09）：82-85.

[2]何政洋. 渦流發生器參數對風力機葉片氣動特性影響的數值模擬研究[D]. 重慶大學.

[3]薛丁云. 風電葉片及翼型安裝渦流發生器氣動特性實驗研究[D]. 中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）， 2016.

[4]鄒立偉， 魏敏， 宋之燕. 風力發電機組葉尖延長增效技術的經濟性分析[J]. 風能（3）：80-82.

[5]趙磊， 房亞鵬. 一種應用了榫卯結構的風電葉片渦流發生器：， CN205370867U[P].

[6]張華耀， 運鴻， 桑玉虎. 一種渦流發生器及安裝渦流發生器的風電葉片：， CN205478093U[P].