風機葉片氣動外形優化設計和風電場實測研究

金 月

（天津市津能風電有限責任公司，天津 300480）

0 引言

為了減少不可再生能源的大量消耗帶來的環境污染和資源枯竭等一系列問題，積極響應我國的“碳達峰、碳中和”目標，在追求可再生能源的技術發展中，風力發電技術應用較為普遍，對緩解我國資源壓力起到了較為明顯的推動作用。

在風力發電機效率提升的有關研究中，學者們曾提出通過延長風機葉片葉尖、安裝格林襟翼和增加渦流發生器的方法來對風機葉片進行改造優化。作為發電機的核心零部件，機組葉片氣動性能的優化設計會對風電機組的應用效率產生直接作用[1]。由于風力發電機做功地理環境較為復雜，各種負面因素均會對風力發電效率產生不利影響。為提高風機的產出效率、降低成本支出和，對風力發電機葉片的氣動性能進行優化和設計具有重要意義。

1 風機葉片相關參數和理論基礎

對風機葉片優化設計的目的是為提高風機的運行能力和產生更高的經濟效益。葉片作為風機裝置的重要組成部分，承載著能量之間高效轉化樞紐的作用，風機氣動外形的各個參數值對風機葉片是否能獲取足夠的升力和充足的功率具有主要作用[2]。

在風機葉片的表面，葉片表面壓強與環境中壓強不等，進而出現了壓強差，為了能體現葉片表面的壓強P 的分布狀態，引入了壓強系數Kp，壓強系數的表達式如公式（1）所示。

式中：P為風機葉片表面壓強；P1為環境中的壓強；ρ為來流的流體密度；v為空氣的流速。

增大葉片的升力，降低葉片的阻力是提升風機葉片功率的重要途徑。受氣流的影響，風機的葉片上形成了一個氣動升力F，其可以分解為升力FL和阻力FD，如公式（2）～公式（4）所示。

式中：F、FL、FD分別為單位長度的氣動力、升力和阻力；CT、CL和CD分別為氣動力系數、升力系數和阻力系數。

根據以上翼型氣動力、氣動升力和氣動阻力的關系式可得到氣動力系數、升力系數和阻力系數，分別如公式（5）～公式（7）所示。

在氣流作用下，翼型升力系數CL、阻力系數CD與葉片弦線與風向的角度（攻角）α之間有一部分變化關系：在特定范圍內，升力系數CL會隨攻角α的增加而線性增大。當攻角增加到某個特定的閾值，升力系數會達到最大值CLmax。如果攻角繼續增大，則升力系數CL會出現迅速降低的情況，且阻力系數CD會出現迅速增大趨勢，翼型出現失速狀態[3]。在失速狀態下，流體將不再貼附翼型表面流過，在上表面將發生邊界分離，前緣后部將出現渦流，導致風機葉片震動和運行不穩定。把渦流發生器設置在葉片上，能有效降低因葉根攻角太大而產生的失速風險以及湍流或者陣風力度過大造成葉片整體攻角變化幅度大帶來的發現效率下降的現象[4]。在風機葉片的設計過程中需要注意升力系數和阻力系數之間關系失衡產生的風機不穩定和效率受阻的影響。

任意攻角下翼型升力系數CL和阻力系數CD的比值稱為升阻比。升力使風機獲得有效扭矩，阻力對風輪形成正面壓力，為了提高風機的作業效率，有必要提高葉片翼型的升阻比[5]。該文在對葉片設計中增加渦流發生器和擾流板就可以很好地利用該理論，提高葉片轉動升阻比，提升葉片做功能力和輸出效率。

伯努利方程是根據機械能守恒定律推導而出的，如公式（8）所示。

式中：p為壓強；ρ為氣流密度；v為氣流流速；h為高度；C為常量。

在翼型質量很小的情況下，可以忽略質量帶來的影響，此時在C 為常量的情況下，壓強越大，速度越小；壓強越小，速度越大，翼型上下出現壓強差。

2 風機葉片優化設計

在目前的風機葉片相關設計中，部分學者提出可以通過延長風機葉尖、安裝格林襟翼和渦流發生器等一系列途徑來提升葉片性能。考慮風場已有的能力、風電機組葉片本身存在的設計不足以及可能的技術風險等問題，該文采用增加渦流發生器和擾流板的組合裝置來提升風電機組葉片的運行效率。根據已有文獻可以總結出安裝渦流發生器和擾流板可以把電能產量提升2%～3%。增加擾流板會使翼型發生變化，地截面外形也發生變化，升力系數和升阻比得以提升。安裝渦流發生器的作用是攪亂吸力面附著的流體，提高升力系數，進而提升作業功率[6]。

2.1 渦流發生器優化設計

渦流發生器是以某個固定安裝角度垂直安裝在風電機組葉片外部的擾流器。它所產生的葉尖渦與來流相互作用，可以實現從層流邊界層向湍流邊界層的轉折，以提高升力，降低阻力，進而提高升阻比和發電效率。

該文采用CFD 分析方法對風機葉片進行仿真分析與設計，計算了在葉片弦向25%的位置安裝高度為20mm 渦流發生器前后的氣動特性，結果如圖1 所示。圖1 中分別展示了渦流發生器增加前和增加后隨著攻角變化升力系數的變化情況。在風速有波動時，葉片弦線與風向的角度（攻角）會發生變化，即攻角為12°時，翼型的升力系數由空心點變為黑色點，升力系數值也由1.3 增加到1.8，增加幅度約40%。地截面的受力隨著升力系數的提高也出現了極大的增幅，進而提高了發電量。

圖1 增加渦流發生器前后升力系數對比

2.2 擾流板優化設計

葉片擾流板的設計原理是通過優化風機葉片的形狀，來改善風電機組葉片根端范圍出力不足產生的設計弱點。添放擾流板后，壓力面的壓強增大，吸力面的壓強降低，壓力面和吸力面壓強會發生不同程度的變化，進而影響葉片上的作用力。最后，升力系數和升阻比因壓強差的影響而得到提升。增加擾流板前后升力系數對例如圖2 所示。由圖2 可以看出，葉片的升力系數隨著攻角的增加而增加，攻角在13°時達到23.5%，而后急速下降，展現出了明顯的失速性能。攻角到達17°時趨于平緩，穩定在15%左右。

圖2 增加擾流板前后升力系數對比

在實際操作時，增加渦流發生器和擾流板的設計方式實現起來比較容易，只需要用膠質物黏合輕質物和葉片就好，載荷變化很小，不會影響葉片的核心結構。

3 風機葉片優化設計風電場應用實測

為了研究以上兩種方法的組合方案對風機葉片效率的影響，該文選擇某一風電場的兩個風機組進行風機葉片優化設計試驗，將安裝了渦流發生器和擾流板的A 號機組和未進行改良的B 號機組進行對比，采集二者在一定時期內風速、轉速、運行功率等數據，剔除部分異常值，得出了運行功率的變化數據。

該文對機組A 號和機組B 號在不同風速段的功率進行了對比，結果為整體出現了上升，部分高風速段有所下降。

從設計改良前后的A、B 機組功率變化的比較中不難看出，B 號機組在不同風速段的功率都顯著高于A 號機組，且兩個機組之間的功率相差較多。對A 號機組進行新方案改造設計，A 號機組的功率出現了顯著提高，A、B 兩機組之間的功率差減少。從以上現象可以得出，技改后整體風速段的功率都在提高，而部分高風速段的功率出現了下降。

機組A 號和機組B 號功率變化對例如圖3 所示。通過綜合比較A 號和B 號機組在不同風速段的功率變化情況能夠得出，與以前沒有添加增功附件的A 號機組相比，技改后的A號機組的功率有了顯著提高，在主要風速段功率都有所增加。

圖3 機組A 號和機組B 號功率變化對比圖

4 結論

為了達到對風機葉片氣動外形進行優化設計的目的，合理提升風機葉片的產出效率，該文根據風機葉片的相關參數和理論基礎，選擇在風機葉片上增加渦流發生器和擾流板等增功部件的方式對其進行優化設計，并將該優化設計方案應用于風電場的兩臺機組，進行增功前后功率變化的實測對比。結果表明，通過增加增功附件可以有效提高風機的功率，在主要風速段提高效果較為明顯。同時注意控制方案實測中的相關因素以降低試驗誤差，為企業風機葉片優化提供了新的思路。