鋸齒尾緣翼型對葉片的氣動性能影響研究

中圖分類號：TK83 文獻標志碼：A

0引言

近年來，風電機組不斷朝大型化發展，根據2023北京國際風能大會暨展覽會（CWP2023）提供的數據，陸上風電機組最大單機容量為15MW，葉輪直徑為 260m ，葉片長度可達 125m 。隨著葉片尺寸越來越大，葉尖速度也隨之增大，導致葉片在高速旋轉過程中產生了巨大的氣動噪聲。為滿足目前的市場需求和技術迭代，葉尖速度已經超過了 90m/s ，這對在風電場周邊工作或生活的居民造成了嚴重困擾。此外，在風電機組運行時，為了降低葉片的氣動噪聲，風電場工作人員會人為降低葉尖速度，導致葉尖速比偏離了最佳設計范圍，嚴重影響了風電機組的發電效率。因此，當前急需找到在保證葉尖速度前提下可降低風電機組葉片氣動噪聲的方法。

國內外許多學者針對利用仿生學來降噪的方法和機理進行了大量研究，一些仿生被動控制方法被應用于葉片翼型上，以此達到降噪的目的。

常見的仿生被動控制方法包括波浪前緣、鋸齒尾緣等，均取得了不錯的降噪效果。由于鋸齒尾緣具有經濟性好、適用場景多、結構設計簡單等優勢，其應用范圍較廣。

徐玉龍等[對葉片采用鋸齒尾緣翼型前后風電機組的運行噪聲進行了分析，分析結果表明：葉片采用鋸齒尾緣翼型后，在不同風速下均具有降噪效果， 8m/s 風速下的降噪量為 4.7dB 。張玲等[2對不同攻角下的弧形鋸齒尾緣翼型葉片、三角形鋸齒尾緣翼型和直尾緣翼型葉片的噪聲頻譜特性進行了研究，研究結果表明：弧形鋸齒尾緣翼型葉片能有效降低中高頻段的噪聲，但低頻段的降噪效果不明顯。Biedermann等[]主要研究了鋸齒前緣翼型葉片對降噪效果的敏感性，研究結果表明：此類翼型葉片可以降低噪聲，尤其在設計點工況（即最佳工況）附近時，降噪效果更明顯。Lee等[4]在 10kW 風電機組上進行了鋸齒尾緣翼型葉片的降噪效果實驗，實驗結果顯示：

此種翼型葉片的降噪效果較為明顯，降噪量可達5dB。陳寶康等[5對鋸齒降噪結構在風電機組葉片上的應用進行了研究，研究發現：鋸齒降噪結構葉片在 5～6m/s 風速段的降噪效果較為明顯；在風電機組主風向下游 135m 噪聲測點處，葉片的降噪量范圍為 。結合目前國內的陸上風資源水平，大部分風電場可開發區域的年平均風速基本小于 8m/s ，因此，鋸齒結構葉片具有很好的推廣前景。

以上文獻主要針對鋸齒翼型對葉片降噪效果的影響進行了研究，而對于鋸齒尾緣翼型卻忽略了其對葉片氣動性能的影響。通常，鋸齒的安裝位置為葉片輸出氣動性能的位置，由于鋸齒尾緣翼型對葉片氣動性能的影響會導致整個風電機組的發電量和荷載均受到影響，因此，有必要對鋸齒尾緣翼型葉片的氣動性能進行研究。Llorente等[通過對實際采用鋸齒尾緣翼型的葉片進行仿真數值模擬，發現相較于光滑翼型，采用鋸齒尾緣翼型后，葉片的升力系數和阻力系數均有所提升。Llorente等[7]將風電機組理論模型代入仿真軟件GHBladed，研究鋸齒尾緣翼型葉片在實際工作環境下對風電機組性能的影響，研究結果表明：采用鋸齒尾緣翼型葉片的風電機組的發電效率能提升約 1.5% 。

上述文獻針對鋸齒尾緣翼型對葉片氣動性能影響的研究僅局限于平均氣動力的變化，并未詳細研究鋸齒尾緣翼型的尺寸對葉片氣動性能的影響；且鋸齒尾緣翼型對葉片氣動力波動特性的影響尚無實驗研究。基于此，本文選取5種不同尺寸的鋸齒研究鋸齒尾緣翼型參數對葉片氣動性能的影響，并分析鋸齒尾緣翼型對葉片氣動力波動特性的影響規律，為今后鋸齒尾緣翼型葉片在風電機組上的應用提供實驗依據。

1實驗設置

本實驗在低速回流且具有吸聲材料和消聲腔的半消聲風洞中開展，風洞實驗段的截面是尺寸為 0.5m×0.5m 的正方形，風洞風速范圍在 2～40 m/s 之間；模型區的湍流度在 0.3% 以內。實驗采用代爾夫特大學開發的厚度為 21% 的 翼型[8-9]，其綜合氣動性能較為優越，弦長 c 為100mm ，展長 s 為 350mm 。

在風洞實驗段布置10個型號為BK4954的傳聲器，用于采集 20s 的聲壓數據，采樣頻率為 32768Hz 。10個傳聲器采用圓形布局，圓心位于翼型的幾何中心，半徑為 3.5m ；沿圓周每間隔 布置1個傳聲器，指向角范圍為 。為研究鋸齒尾緣翼型參數對葉片氣動性能的影響，本文選取5種不同尺寸的鋸齒（編號為 進行研究，鋸齒的具體參數如表1所示。表中： 2h 為齒高； λ 為齒長；以 2h/c 和 2h/λ 分別表征齒高與弦長及齒長的關系；以 λ/c 表征齒長與弦長的關系。

從表1可知： 鋸齒的齒長均相同，齒高呈遞增趨勢；而 鋸齒的齒高均相同，齒長呈遞增趨勢。這樣設置可以充分研究不同齒長和齒高下鋸齒尾緣翼型對葉片氣動性能的影響規律。

本文所有實驗均在自由來流速度 為 20m/s. 雷諾數 R e 為 的條件下進行。風洞實驗段的裝置構造示意圖[1]如圖1所示。

由圖1可知：鋸齒尾緣翼型兩端固定在風洞實驗段內；固定葉片的軸位于翼型的氣動中心處，翼型通過連接軸連接在測力天平上，測力天平與翼型一起連接在俯仰攻角調節器轉盤上。

本實驗通過伺服電機控制俯仰攻角調節器轉盤，進行氣動力測試時，翼型弦線與自由來流方向的夾角（即攻角 a ）的范圍為 ，每變化 進行1次測量。為了抑制翼型兩端的三維流動，確保實驗的二維性，在翼型的頂部和底部安裝了直徑為 3c 的圓形端板。

本文采用型號為LMC3501-100N的氣動力測量儀，設備參數及誤差如表 所示。

通過氣動力測量儀測量得到翼型的平均氣動升力 L 、平均氣動阻力 D 及俯仰力矩 M ，進而計算得到翼型的升力系數 、阻力系數 、轉矩系數 ，以及升阻比 L/D 。

升力系數的計算式可表示為：

阻力系數的計算式可表示為：

轉矩系數的計算式可表示為：

在翼型氣動力測試實驗中，結合實際的實驗條件，需考慮的不確定因素主要有：自由來流風速、測力天平、翼型攻角和翼型的加工制造等。這些不確定因素會造成測試結果誤差，在本實驗中，風洞內的自由來流風速變化微小，其造成的誤差可忽略不計；測力天平需在每次實驗前進行標定，以降低誤差；而翼型攻角和翼型的加工制造不會造成測試誤差。參考文獻[10]的研究結果，本實驗中升力系數、阻力系數及轉矩系數的不確定度分別取 3.1% 、 2.8% 和 3.3% 。為了研究氣動力波動特性，實驗中測力天平的采樣頻率設置為 。

2實驗結果分析

2.1噪聲結果分析

由于鋸齒尾緣翼型的降噪效果會隨著鋸齒齒高的增加而顯著增強，因此本文主要研究在鋸齒齒高一定時，齒長對鋸齒尾緣翼型降噪效果的影響。將齒高一定、齒長不同的 鋸齒分別制作成鋸齒尾緣翼型，分別命名為鋸齒尾緣翼型3～鋸齒尾緣翼型5，并分別對采用這3種鋸齒尾緣翼型的葉片進行聲壓級測試，得到各自的聲壓級，以及其相對于光滑翼型葉片的聲壓級差，具體如圖2所示。需要說明的是，對于光滑翼型與鋸齒尾緣翼型的聲壓級差，正值代表降噪，負值代表增噪。

從圖2a可以看出：光滑翼型葉片的聲壓級曲線有顯著的峰值，這是由邊界層內脫落的渦與翼型的鋸齒尾緣相互作用產生的聲壓級峰值[]，而鋸齒尾緣翼型葉片的頻率峰值均小于光滑翼型葉片的，說明其有顯著的降噪效果。從圖2b可以看出：鋸齒尾緣翼型3葉片的聲壓級差小于鋸齒尾緣翼型4葉片和鋸齒尾緣翼型5葉片的。

由此可知，齒長較小的窄鋸齒的降噪效果明顯優于齒長較大的寬鋸齒，這是因為窄鋸齒更能在齒間處誘導產生流向渦，從而降低因邊界層渦脫落引發的主頻[12]。由于本文主要研究鋸齒尾緣翼型對葉片氣動性能的影響規律，所以針對噪聲不再做詳細分析。

2.2氣動性能分析

為了能夠直觀展示翼型采用鋸齒尾緣后升阻力的變化情況，本文在計算鋸齒尾緣翼型氣動力時，特征長度統一選取了翼型的弦長。將齒長相同但齒高不同的 鋸齒分別制作成鋸齒尾緣翼型，分別命名為鋸齒尾緣翼型1～鋸齒尾緣翼型3，然后分別計算不同攻角時這3種鋸齒尾緣翼型葉片的升阻力系數，結果如圖3所示。

由圖3可知：

1）相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片的升力系數和阻力系數均有顯著提升。當攻角小于 時，隨著攻角的增大，升力系數的增加更為明顯；尤其是在失速后，鋸齒尾緣翼型葉片的升力系數仍高于光滑翼型葉片的升力系數，這樣可以有效避免光滑翼型葉片在失速后升力下降過大的情況。

2）相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型3葉片的升力系數提升最大，該翼型的鋸齒齒高最長；而鋸齒齒高最短的鋸齒尾緣翼型1葉片的升力系數提升的最小。由此可知，當鋸齒齒長一定時，鋸齒的齒高對葉片的氣動性能影響較大。這主要是因為鋸齒齒高的增加相當于增加了翼型整體的弦長，導致鋸齒額外產生氣動力，從而提升了采用這種翼型的葉片的氣動力。

不同類型翼型葉片的升阻比隨攻角的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知：相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片的升阻比變化不大。在小攻角附近，鋸齒尾緣翼型葉片的升阻比稍有提升；但隨著攻角的增大，其與光滑翼型葉片的升阻比基本重合。

分別計算攻角為 時，鋸齒尾緣翼型3葉片～鋸齒尾緣翼型5葉片的升力系數，并進行對比。不同類型翼型鋸齒尾緣葉片的升力系數隨攻角的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：當鋸齒齒高一定時，鋸齒齒長的變化對鋸齒尾緣翼型葉片的氣動性能幾乎無影響。

結合圖2～圖5可以發現：影響鋸齒尾緣翼型葉片氣動性能的主要因素是鋸齒的齒高，鋸齒的齒長只影響鋸齒尾緣翼型葉片的降噪效果。

在上述結論基礎上，為了定量分析鋸齒尾緣翼型帶來的葉片升力系數提升的大小，計算得到4種翼型葉片的最大升力系數及提升幅度，如表3所示。

表34種翼型葉片的最大升力系數及提升幅度

從表3可以看出：鋸齒尾緣翼型3對葉片升力系數的提升最為顯著，提升幅度可達 22.6% 0值得注意的是，雖然葉片升力系數的提升有助于提升其升阻比，但葉片受到的荷載也會隨之增加，這不利于風電機組的實際運行。因此鋸齒尾緣翼型雖然可以起到顯著的降噪效果，但需選擇合適的翼型參數，避免降低葉片的使用壽命。

2.3氣動力波動特性分析根據

根據上文分析結果，鋸齒尾緣翼型的主要功效為降噪，主要是影響流場的波動特性。本節以測力天平采集得到的升力信號結果（正值代表升力值，負值代表阻力值）為依據，研究不同攻角下鋸齒的齒長對鋸齒尾緣翼型葉片升力波動特性的影響。

攻角為 、 和 分別代表葉片在線性區、輕度失速區和深度失速區時對應的攻角。根據測力天平采集得到的升力信號，得到3個攻角下不同類型翼型葉片的升力系數隨時間的波動情況，如圖6所示。

由圖6可知：對于光滑翼型葉片而言，在小攻角 時，其升力系數的波動較小；隨著攻角增至 ，該葉片開始出現失速，大的失速渦在尾緣處與葉片表面作用劇烈，使葉片升力系數的波動幅度增大；當攻角增至 時，該葉片完全失速，流體已脫離葉片表面，使葉片升力系數的波動幅度再次變小。而相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片在3個攻角下的升力系數波動幅度均有顯著降低，其中，齒長適中的鋸齒尾緣翼型4葉片的升力系數波動幅度最小，說明其對波動的控制效果最好；而齒長最大的鋸齒尾緣翼型5對葉片升力系數波動的控制效果最差。

計算3個攻角下不同類型翼型葉片的升力系數均方根值，并以光滑翼型葉片的均方根值為標準計算均方根降幅，結果如表4所示。

從表4可以看出：齒長適中的鋸齒尾緣翼型4葉片的升力系數均方根降幅最大，在小攻角 下降幅可達 61.7% ；在大攻角 下，其均方根降幅也均超過 50% 。由此可知：相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型可以有效降低葉片因氣動力變化而引起的波動，有助于降低葉片所受的疲勞荷載，且采用齒長適中的鋸齒尾緣翼型的葉片降低波動的效果更好。

下文分別以 、 攻角為例，闡述不同類型翼型葉片在不同升力系數下的頻譜控制效果。 攻角下不同類型翼型葉片的升力信號經過快速傅里葉變換（FFT）后的功率譜-頻率圖如圖7所示。圖中： 均為主頻。

從圖7可以看出：該功率譜-頻譜圖中有4個主頻，分別為 ， （ 和 ，其中，低頻的 和 為葉片自身振動引發的主頻，高頻的 和 為因邊界層渦脫落引發的主頻和其二階瀕率。對于光滑翼型葉片而言，其峰值都較為顯著。而對于鋸齒尾緣翼型葉片而言，從葉片自身振動引發的主頻來看，齒長最長的鋸齒尾緣翼型5葉片的主頻峰值均有所增加，但這反而增強了自身結構的振動頻率；但齒長最短的鋸齒尾緣翼型3葉片和齒長適中的鋸齒尾緣翼型4葉片的主頻均有顯著降低。對于因邊界層渦脫落引發的主頻（其也是產生噪聲的主要原因），光滑翼型葉片的邊界層渦脫落的主頻在 2000Hz 左右，而葉片采用鋸齒尾緣后主頻值發生了顯著降低，這與噪聲的頻譜具有一致性；齒長最長的鋸齒翼型5葉片也有不錯的降噪效果，但鋸齒尾緣翼型4葉片的降噪效果最好，在 1000～5000Hz 的范圍內均可降噪。由此可知：不同尺寸的鋸齒都可以降低由于邊界層渦脫落引起的氣動力的波動峰值，并非鋸齒長寬比越小，降低效果越好。

攻角下不同類型翼型葉片的升力信號經過FFT后的功率譜-頻率圖如圖8所示。圖中： 均為主頻。

由圖8可知：鋸齒尾緣翼型葉片開始失速后其自身振動引發的主頻增強，原因是葉片在失速后發生分離渦，渦與尾緣的作用加強，使主頻值增加，該結論與圖6得到的結果一致。同樣，發生分離渦后3種鋸齒尾緣翼型葉片在渦脫落主頻附近都有一定的功率譜降低效果。

結合圖7和圖8可知：相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片在小攻角和失速后都可以有效降低因自身振動引發的主頻值和因邊界層渦脫落引發的主頻值，且齒長較小的鋸齒尾緣翼型葉片的降低效果優于齒長較大的鋸齒尾緣翼型葉片。

3結論

本文通過選取5種不同尺寸的鋸齒，針對鋸齒尾緣翼型參數對葉片的氣動性能及氣動力波動特性的影響進行了研究，得到以下結論：

1）相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片的升力系數和阻力系數均有顯著提升，且齒高最長的鋸齒尾緣翼型葉片的升力系數提升效果最為明顯。

2）相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型葉片在不同攻角下的升力系數波動幅度均有顯著降低，且齒長適中的鋸齒尾緣翼型葉片的升力系數波動幅度最小，說明其對由氣動力變化引起的波動的控制效果最好。

綜上可知，相較于光滑翼型葉片，鋸齒尾緣翼型可以有效降低葉片因氣動力變化而引起的波動，有助于降低葉片所受的疲勞荷載，從而延長葉片的使用壽命。

本文的實驗結果對于風電機組葉片的翼型設計和優化具有一定的指導意義。在實際應用中，可以根據具體的風電機組運行條件和設計要求選擇合適的鋸齒尾緣幾何參數，以改善風電機組葉片的氣動性能，提高風電機組的發電效率和運行穩定性。

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RESEARCHONINFLUENCE OFSERRATEDTRAILINGEDGE AIRFOILSONBLADEAERODYNAMICPERFORMANCE

Xu Ye

（GuohuaEnergyInvestmentCo.，Ltd.，Beijing1oooo7，China）

Abstract：During the design process of wind turbine blades，serrations are typically installed at the trailing edge to reduce aerodynamic noise.This paper investigates the effects of serrated trailing edge airfoil parameters on blade aerodynamic performance by selecting five serration sizes，and analyzes the influence of serrated trailing edges on blade aerodynamic force fluctuation characteristics.The research results show that： 1） Compared to blades with smooth airfoils，blades with serrated trailing edge airfoils have significantly improved lift and drag coefficients，and serrated trailing edge airfoil blade with the longest serrated tooth height have the most significant lift coefficient improvement effect.2） Compared with smooth airfoil blades，serrated trailing edge airfoil blades have significantly reduced fluctuations in lift coefficient at different angles of attack，and serrated trailing edge airfoil blades with moderate tooth length have the smalest fluctuations in lift coeficient，indicating that they havethe best control efect on fluctuations caused by aerodynamic changes. In summary，compared to blades with smooth airfoils，the serated trailing edge airfoil can effectively reduce the fluctuations caused byaerodynamic changes in the blades，which helps to reduce the fatigue load onthe blades and extend their service life.

Keywords：wind turbines；blades；serrted trailing edge；airfoils；noise reduction；aerodynamic performance； fluctuation characteristics