引言

風力發電是獲得清潔、可再生能源的主要技術形式之一。近年來,國內外的風電產業發展很快,對相關的設計技術提出了更高的要求。由于風電葉片是實現風能轉換的重要環節,對機組的整體性能影響很大,有關的設計方法始終是研究的熱點。

翼型作為葉片外形設計的基礎,對葉片的空氣動力特性和質量有重要的影響。目前風電葉片設計一般以低速飛機的航空翼型為基礎,并進行必要的改型。但由此帶來的葉片結構與其氣動性能矛盾突出,已成為大型風電葉片設計過程中亟待解決的關鍵問題之一。為設計出更長的葉片,需要研究解決上述問題的方法,以有效提高葉片設計質量、降低葉片成本,為開發更大功率的風力發電機組提供技術支持。

1風電葉片應用航空翼型的局限性

低速航空翼型一般具有較好的氣動性能,因而在風電葉片設計中得到了廣泛的應用。但由于這些翼型的雷諾數相對較高且厚弦比較小,往往難以在大型風電葉片的根部區域直接應用,需要考慮并解決以下問題:

(1)大型風電葉片的雷諾數普遍較低,特別是在葉片與輪轂連接的區域,若直接采用適用于高雷諾數的航空翼型則很容易發生氣流分離,造成氣動力的顯著損失和葉片失速,導致葉片載荷增大。

(2)為滿足葉片與輪轂連接的區域結構和強度的要求,必須加大這部分截面翼型的厚度,但相應的翼型弦長也會加大,可能超出風電葉片允許的范圍。

(3)對于變槳矩控制的風電機組,葉片與輪轂聯結結構要求葉片根部呈圓筒狀外形,使氣動性能與結構設計的矛盾更加突出。

為解決這些問題,迄今風電葉片多采取對航空翼型截頭去尾的改型設計方法。此方法雖能滿足葉片結構設計的需要,但對其氣動性能的影響卻比較大。簡單地削除原有翼型的前緣和后緣,可能會破壞葉片上、下表面的完整性,造成翼型表面部分升力丟失,導致翼型氣動性能顯著降低。

2鈍后緣翼型的分析

211 鈍后緣翼型

鈍后緣翼型是針對大型風電葉片根部區域低雷諾數、高結構強度的要求,對低速航空翼型的一種改型設計。其基本方法是以原翼型的前緣為鉸點,按一定相對弦長厚度比分開后緣。

212 鈍后緣翼型的結構和氣動特性

圖1所示TR-35-10型風電葉片翼型,是一種以TR-35型尖后緣航空翼型為基礎,通過鈍后緣方法增加10%厚度的改進翼型。

(1)鈍后緣翼型的基本結構特性

對于給定厚度的翼型,鈍后緣翼型可以增加葉片的截面面積和慣性矩,從而使其抗彎和抗扭性能得到提高。


圖1后緣削平的TR-35-10翼型

(2)空氣動力特性

鈍后緣翼型可以增加其截面的最大升力系數和升力曲線斜率,因而對降低翼型的污染敏感度有利。

考慮到吸力面的氣流速度將隨翼型厚度增加,同時相應的壓力減小;而在翼型后緣區域的氣流會減速,剩余的動能若不足以抵抗強烈的逆壓梯度,將導致氣流在翼型后緣可能提前分離,損失部分升力。鈍后緣翼型采取以其前緣為鉸點增加后緣厚度的方法,可以在增加翼型最大厚度的同時,相應地降低氣流通過截面最厚點后的逆壓梯度,從而能推遲或避免氣流的分離,并在后緣的后端形成一個與邊界層自適應的尖后緣,使氣流一直附著在翼型表面,改善其氣動性能。



圖2鈍后緣對翼型氣動性能的影響

通過以上討論可知,從空氣動力學角度看,TR-35-10采用的鈍后緣翼型設計方法不僅能夠提高翼型的最大升力系數,同時也可以降低對葉面污染的敏感性，因此,以鈍后緣翼型作為對低速航空翼型改進設計的基礎,是改善風電葉片結構與氣動特性的一種可行方法。

3葉片的翼型分布

鑒于大型風電葉片長達數十米,翼型厚度的增加勢必會對葉片質量、載荷分布和制造成本產生較大影響。因此,簡單地采取沿葉片長度均勻增大翼型厚度的改型設計方法顯然不盡合理,需要進一步研究沿葉片展向翼型的分布問題。

311 葉片設計的結構系數

根據實際運行經驗,國外學者曾針對某種風電葉片,以對應55%風輪半徑的葉片長度(0155r/R)為參考值,劃分葉片的內外區域;對位于葉根附近的內區域以結構特性為主,而在靠近葉尖的外區域以氣動特性為主的翼型設計方案進行了試驗研究。結果表明,這種方案能有效地增強葉片的結構強度,同時也可以較好地滿足葉片的整體氣動性能的要求。

應指出:由于上述劃分葉片內外區域的方案是針對特定葉片的性能試驗提出,其定義尚不夠明確。有鑒于風電機組的結構形式和基本參數(如功率、風輪半徑、葉片長度等)差別很大,同時考慮到葉片一般是作為風電機組的獨立部件,需要對此問題作進一步研究,以形成一種可行的設計方法供葉片設計過程采用。

通過對大型風電葉片設計要求和方法的分析,針對葉片翼型改進設計中氣動性能與結構強度的矛盾,有必要設立一葉片結構系數J。


以一定的J值為界,沿風輪半徑增大的方向,將葉片劃分為內圈和外圈兩個區域。

在葉片的內圈部分可考慮以結構特性為主的翼 型設計方案;而在葉片的外圈區域則以氣動特性為主進行翼型的設計。


圖3 葉片結構系數的定義

系數J的取值,應根據風力發電機的具體設計要求,如機組總體結構、性能參數和載荷情況等因素確定。顯然,J值對葉片的總體結構設計有很大的影響,且與機組的性能密切相關,應考慮將其作為大型風電葉片設計的基本參數之一。因此,結構系數J不應是一個定值,還需要深入研究其內在規律以及對設計要求的影響,逐漸形成相關設計標準或葉片優化設計的基本約束條件。

312 葉片內外圈翼型的選擇

由于大型風電葉片長數十米,質量以噸計,內圈區域所承受的彎曲和疲勞載荷很大,因此設法加強該區域的強度是葉片結構設計的關鍵環節之一。研究表明,在內圈區域采用鈍后緣翼型增加葉片截面厚度對改善葉片結構強度極其有利,同時也是減小葉片單位體積質量,避免葉片成本隨長度成冪律增長的主要途徑。一般意義上,可以考慮沿葉片展向從葉尖開始從薄到厚的翼型分布設計,滿足葉片氣動和結構性能的要求。

雖然鈍后緣翼型會增加截面阻力,但是由于分離點的推遲,降低了因氣流分離而引起的阻力壓差,而這部分阻力在總阻力中所占的比重是隨攻角而增大的。所以在具有較大攻角的葉片內圈區域,采用鈍后緣翼型,無論從結構力學還是空氣動力學角度看都是合理的。 但對于葉片外圈區域而言,主要設計要求是最大限度地發揮其氣動性能,一般應使其攻角處于最佳值。在此條件下,型阻將占較大比例,但葉片相應的結構載荷卻比較小,故在外圈區域不應采用鈍后緣加厚翼型。

實際上,由于外圈區域相對力臂長,選擇高升阻比的翼型對提高葉輪整體的氣動性能十分有利。因此,在葉片的外圈區域設計中,宜更多地關注升阻比較高的翼型(如NREL的S831、S830等),考慮選擇此類尖后緣且較薄的翼型。

以某變槳矩控制風電機組的葉片設計為例,原設計在0175R和0195R處翼型分別選用S817和S816翼型,但這2種翼型是針對失速控制風電機組設計的,最大升力系數較低,氣動性能一般。后采用翼弦較短、升阻比更高的S830和S831翼型,S831位與0190R處,其最大相對厚度x/c=0118,設計升力系數為115;S830作為外圈最主要的0175R處翼型,x/c=0121,設計升力系數為116,這種設計布局較大地提高了該葉片的氣動性能。

313 葉片內圈翼型與整體氣動性能的關系

從風電機組的總體設計觀點看,風電葉片氣動設計的主要目標是產生盡可能大的轉矩,且沿葉輪軸向的推力較小。然而,在葉片的氣動設計過程中,



 

圖4削平后緣對轉矩系數的影響

4 結論

(1)提出葉片結構系數J,并給出該系數的明確定義。以J為界,可將葉片分為內圈和外圈區域。

(2)對于大型葉片的內圈部分的翼型設計,可著重于結構要求,采用鈍后緣的改進翼型設計,以提高葉片截面的結構強度,同時維持較好的氣動性能。

(3)沿葉片的展向采用改進翼型截面與航空翼型截面相結合的布局方式,可有效地緩解葉片氣動和結構設計的矛盾,在葉片外圈區域宜采用升阻比較高的薄翼型。

(4)結構系數J的取值對葉片的結構和氣動性能有重要的影響,應根據設計要求和目標確定。