基于效率提升的風機葉片優化設計和應用研究

李劍

（天津市津能風電有限責任公司，天津 300480）

0 引言

隨著生態環境的不斷惡化，開發能源的綠色和環保性能備受矚目，各國政府都在不斷提倡新環保能源的開發和使用。風力發電因其自身的發展優勢在可再生新型能源的技術開發中居于重要地位，風力發電得到有效推廣并具有良好的發展前景。風力機葉片作為發電機的重要組件，其投入的成本占風機組總成本的20%以上，其高機械性能和運轉能力是風機高效運行的重要保障。由于風力發電機結構復雜，身處于復雜的地理環境中，容易產生疲勞破壞和多種降低風力發電效率的負面影響因素[1]。為達到提高風機葉片的氣動性能、降低成本和提升風機葉片的功率的目的，對風力發電機葉片進行優化和設計具有必要性。

1 風機葉片優化方案設計內容

現有關于風機葉片設計中提出通過可以葉尖延長、安裝格林襟翼和渦流發生器等方法來提升葉片性能的方法，文章在綜合考慮風電機組葉片原始設計缺陷、風場資源和技術風險等因素，采用增加渦流發生器和擾流板的組合裝置來提高電機葉片運轉功率。現有研究表明，安裝渦流發生器和擾流板能夠提高電能產量在2%～3%左右。增加了擾流板，主動改變了翼型形狀，當地截面形狀改變后，增加其升力系數和升阻比。渦流發生器主要是對吸力面一側的流體進行擾流，通過改變升力系數來提高其運行效率。

1.1 渦流發生器優化設計

渦流發生器是以一固定安裝角垂直布置在風力機葉片表面的擾流器。通過與來流相互作用，利用其產生的翼尖渦實現層流邊界層向湍流邊界層的轉捩，達到增升減阻的目的，提高升阻比和發電效率。葉片渦流發生器主要是對吸力面一側的流體進行擾流，在吸力面出現流體分離時，增加吸力面位置的速度，速度增加，吸力面壓強減小，兩側壓強差△P增大，葉片表面受力增加，導致做功總量和功率均增大。當渦流發生器安裝在葉根設計攻角大、陣風或者湍流強度較大和葉片表面存有污垢時其增功優勢較為明顯。

渦流發生器是一些小的改性ASA材質的三角翅片。翅片相互之間有一定方向角度排列。拼裝長度根據風機實際出力不足的彌補量進行取舍，一般為葉片長度的25%～55%。用進口防脫落異類物質連接膠水將其安裝在葉片背風側靠近葉片根部的入流端。

1.2 擾流板優化設計

葉片擾流板主動改變風機葉片的形狀設計，主要為彌補葉根部區域整體出力較小帶來的設計缺陷。在安裝擾流板后，吸力面的流速有了較高提升，吸力面壓強減小，壓力面的流速減小導致壓力面壓強增加，葉片表面的壓強差增加，葉片表面受力增加，做功增加，功率提高。如圖1所示（橫坐標代表翼型弧線長度，即弦線位置，縱坐標代表了壓強值），增加擾流板后，壓力面的壓強增加，即紅色面積大于藍色面積，圖2顯示吸力面的壓強出現減小，即紅色的面積大于藍色的面積，最終由于壓強差的作用，產生了升力系數的改變，增加其升力系數和升阻比。擾流板引起的升力系數的增加不分區域，即引起了所有運行段升力系數的增加，大幅增加當地截面的受力，增加發電量[2]。

圖1 增加擾流板后，壓力面壓強系數

圖2 增加擾流板后，吸力面壓強系數

在實際中，增加渦流發生器和擾流板的增功方案操作簡單，利用膠質物實現輕質物的粘結即可，載荷影響較小，對葉片結構未產生破壞性影響，安裝后的增功翼型如圖3和圖4所示。在對風機進行渦流發生器和擾流板的增加設計方案中，首先對葉片進行三維流動分析，確定軸向安裝位置和葉片表面流動分離點。計算原始翼型性能，確定渦流發生器和擾流板的安裝位置和間距后，對帶增功物件的葉片翼型性能進行測算。在翼型性能和發電量、載荷等滿足設計要求的情況下，確定風機葉片增功物件的最佳位置。

圖3 VG安裝整體效果圖

圖4 擾流板安裝整體效果圖

2 風機葉片優化設計風電場應用實測

為了研究優化設計后的風機葉片效率的變化，選取并設置安裝機組與非安裝機組做參照和對比，采集兩者在安裝前和安裝后一定時期內的風速、轉速和功率的相關數據，對異常和偏差較大的數據點進行剔除，擬合功率曲線，得到發電量變化的評估數據。根據風機葉片優化方案，選擇某一風電場的三臺機組進行發電機葉片優化設計實驗，該場地沒有易滑物，能見度較高，風速≤8m/s，選擇1號和2號機組進行試驗驗證。其中1號機組未進行任何操作，2號機組為技改機組。

2.1 技改前后1號機組和2號機組的功率對比

首先對1號機組和2號機組的功率進行對比，其中主要風速段的功率均呈現上升狀態，在部分高風速段機組功率有所下降，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 技改前機組1號（紅）和2（藍）號功率對比

圖6 技改后1號（紅）和2（藍）號功率對比

圖7 機組2號功率改變量（正為增加、負為減小）

根據技改前后的1號機組和2號機組功率變化對比，可以看出1號機組的在不同風速段的功率明顯高于2號機組，兩個機組的功率差別較大。通過在對2號機組改裝設計后，2號機組的功率得到明顯提升，與1號機組的功率差變小。綜合來看，整體風速段的功率都是增加的，部分高風速段的功率呈現下降趨勢[3]。

2.2 兩個機組功率綜合對比結果

通過1號和2號機組在不同風速段的功率變化綜合對比，可以看出經過增加增功附件的2號機組較之前未增加增功附件的功率有了較明顯的提高，在主要風速段的功率均為增加的狀態。

根據2號機位安裝增功附件前后發電效率對比，統計安裝渦流發生器和擾流板后的機組在不同風速段的年發電量的增加量，從表1中可以看出優化后的風機年發電量都體現不同程度的增加，經過分析增功發電量約2.3%。在風速為7.1m/s的年發電增加量最大，在部分風速段發電量呈下降狀態，可能受風機發電過程中風機器件的老化或受損期間未及時更換帶來的影響。

表1 技改后機組K86號年發電量變化情況

3 結語

在資源短缺，新能源備受關注和發展迅速的當今社會，風力發電成為很多國家推動新能源發電的方式。風機葉片作為提高風機發電效率的重要部件，其設計性能對風機效率影響很大。通過增加渦流發生器和擾流板等增功部件方式優化風機葉片，在遵循簡單易行的原則上，根據設計指標數據達標后的方案，顯示增加增功部件的風機在主要風速段的效率得到明顯提升，帶來風機葉片效率提升的目的，為企業風機葉片優化提供新的思路。