葉片擾流板安裝容差氣動性能影響研究

姜 悅， 喬玉軍， 羅 寬

（中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司， 北京 100092）

0 引言

在“十四五”規(guī)劃下，可再生能源電力將成為我國碳減排的主力。 基于“30·60 碳中和”目標(biāo)，可再生能源在未來新能源行業(yè)不再僅是補(bǔ)充和替代， 將成為能源供給側(cè)的主導(dǎo)，中短期內(nèi)仍然是一個確定性的市場，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。

更大單機(jī)容量、 更長葉片成為今后風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展趨勢， 由此帶來的更低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會對葉片局部的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響，這對葉片氣動設(shè)計提出了新要求。擾流板作為一種有效的流動控制方式逐漸用于改善葉片性能。

1 葉根擾流板

風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中葉根局部多處于深度失速流動狀態(tài)，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的降低，這一流動異常對葉片的影響更為嚴(yán)重。

根據(jù)下圖流動顯示測量與CFD 模擬結(jié)果可知， 葉根區(qū)域的流動較為復(fù)雜， 這對流動附件的選擇和安裝提出了更高的要求。

圖1 葉根流動可視化測量與CFD 計算結(jié)果[6]Fig.1 The visual test of the blade root

2 擾流板設(shè)計安裝

2.1 擾流板設(shè)計

對于擾流板，無論是出場前安裝還是風(fēng)場安裝，均需根據(jù)葉片及擾流板設(shè)計要求， 確認(rèn)擾流板尺寸及安裝位置與容差，見圖2。如何將設(shè)計轉(zhuǎn)化為實際的安裝要求，成為了擾流板應(yīng)用的一個難點。

圖2 擾流板安裝位置示意圖Fig.2 Location of spoiler

通常， 擾流板位于葉根且靠近尾緣區(qū)域， 需基于合模縫進(jìn)行弦向定位， 長度方向分塊拼接。 有效高度為突出葉片表面的總高度。 在給定容差時需綜合考慮實際可實現(xiàn)性與設(shè)計一致性，使操作具有更高的可行性。

圖3 擾流板安裝局部示意圖Fig.3 Sketch of spoiler mounting area

擾流板為塑料或玻璃鋼預(yù)制品， 安裝前預(yù)制件需經(jīng)過尺寸確認(rèn)，否則可能會影響實際效果。

常規(guī)的關(guān)鍵參數(shù)為預(yù)制件的長、寬、高、厚度及角度等，而角度是最難測量與控制的一個關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 擾流板尺寸示意圖Fig.4 Sketch of spoiler dimensions

2.2 擾流版安裝

通過特定的柔性結(jié)構(gòu)膠，將擾流板與葉片相連接后，即完成擾流板安裝，見圖5。

圖5 擾流板安裝完畢Fig.5 Spoiler installed

對于安裝后的檢驗，需按照相關(guān)圖紙要求，確認(rèn)是否處于容差范圍內(nèi)。 特別是安裝后的擾流板總高度，包含擾流板高度與結(jié)構(gòu)膠厚度。

3 擾流版關(guān)鍵影響參數(shù)

3.1 擾流板角度

在安裝過程中由于擾流板預(yù)制件為分塊拼接安裝，本身的變形、安裝誤差等因素的影響，較易發(fā)生局部擾流板安裝偏差， 常見較難控制的問題為角度偏差，見圖6。

圖6 擾流板角度偏差示意Fig.6 Angular deviation of spoiler

根據(jù)不同位置的擾流板角度測量值進(jìn)行統(tǒng)計，見表1。

表1 擾流板角度偏差統(tǒng)計Tab.1 Spoiler angle deviation statistics

由于葉根圓柱區(qū)域葉片表面曲率最大， 因此角度偏差最難控制， 考慮到最大影響氣動性能范圍，分別選取整體擾流板區(qū)域均為最高發(fā)偏差5°與最大偏差7°的情況建模校核。

可將初始容差范圍確定為7°。 擾流板有效高度偏差小于1mm，最大偏差下，高度偏差為1.49mm，綜合考慮最大膠層厚度8mm， 總高度影響為4.75%。

3.2 關(guān)鍵截面氣動性能影響

基于3.1 的擾流板角度綜合偏差進(jìn)行葉片關(guān)鍵截面的氣動性能影響分析，作為葉片影響計算的輸入。

對于尾緣擾流板進(jìn)行了光順修行，便于計算。采用基于面元法的開源Xfoil 開展翼型氣動性能計算，見圖7。

圖7 擾流板偏差等效模型Fig.7 Equivalent model of spoiler deflection

以截面翼型升力系數(shù)為例， 計算分析擾流板不同角度偏差的影響。

從圖8 可知，不同模型偏差對影響翼型的典型性能影響非常小，最大升力在5°偏差下減小約0.114%，在7°偏差下減小約0.2%。

圖8 模型偏差對截面翼型性能影響Fig.8 Effect of model deviation on sectional airfoil performance

3.3 葉片氣動性能影響

根據(jù)偏差統(tǒng)計結(jié)果的最大影響邊界（7°）修改計算模型， 采用基于BEM理論的GH Bladed軟件進(jìn)行擾流版偏差前后的葉片氣動性能影響的計算分析。

利用3.2 節(jié)擾流板偏差前后的截面氣動參數(shù)作為輸入， 可以定量的分析偏差對整個葉片氣動性能包括Cp，年發(fā)電量及靜態(tài)載荷的影響分析， 以期在較大范圍操作空間的基礎(chǔ)上，確認(rèn)合適的角度容差，見圖9。

圖9 偏差對葉片Cp 的影響Fig.9 Effect of model deviation on CP of Blade

功率系數(shù)曲線變化較小，最大功率系數(shù)Cpmax 在5°容差下減小約0.0017%在7°容差下減小約0.0035%。

在8m/s 風(fēng)速下對比對發(fā)電量的影響，年發(fā)電量在3°容差下減小約0.0004%在5°容差下減小約0.0015%。

圖10 偏差對葉片靜態(tài)載荷的影響Fig.10 Influence of deviation on blade static load

靜態(tài)My 在5°容差下減小約0.0013%在7°容差下減小約0.0031%，該偏差已遠(yuǎn)小于認(rèn)證偏差要求。 因此以7°偏差作為容差是滿足設(shè)計要求的。

4 結(jié)論

對葉片擾流板安裝過程中統(tǒng)計形成的偏差進(jìn)行等效建模分析，針對5°和7°的擾流板角度偏差，進(jìn)行關(guān)鍵影響截面翼型及葉片整體氣動性能分析， 評估載荷與發(fā)電量的影響，最終明確工藝容差。

設(shè)定整體擾流板區(qū)域均有相應(yīng)的最大偏差， 評估結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）Cpmax 在5°容差下降低水平小于0.0017%，在7°容差下降低水平小于0.0035%；

（2）在8m/s 年平均風(fēng)速下，考慮不同容差影響，年發(fā)電量在5°容差下降低水平小于0.0004%， 在7°容差下降低水平小于0.0015%；

（3） 靜態(tài)My 在5°容差下降低水平小于0.0013%，在7°容差下降低水平小于0.0031%。

（4）7°可作為有效設(shè)計容差，在確保擾流板設(shè)計一致性的條件下盡可能的提高安裝可操作性。

后續(xù)擾流板的材質(zhì)、 形狀及不同安裝位置等因素對葉片全生命周期的性能的影響需要開展進(jìn)一步的研究，也為下一步的葉片擾流板優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。