600 kW帶尾緣襟翼風(fēng)力機設(shè)計及優(yōu)化

賈亞雷，馬 凱，李 璐

( 1.北華航天工業(yè)學(xué)院航空宇航學(xué)院，廊坊 065000；2.邯鄲市交通建設(shè)投資管理中心，邯鄲 056400)

0 引 言

為了實現(xiàn)“十四五”期間能源利用綠色低碳轉(zhuǎn)型、碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)，加大可再生能源開發(fā)利用是我國能源發(fā)展的改革方向[1]。我國具有豐富的風(fēng)能資源，其中距地面高10米位置處理論風(fēng)能儲量為43.5億千瓦，可開發(fā)的風(fēng)能約為2.97億千瓦，可開發(fā)面積約為20萬平方千米。我國風(fēng)電裝機容量及并網(wǎng)發(fā)電量在最近十年中增長迅速， 2020年中國風(fēng)電裝機容量新增52吉瓦，為2019年裝機容量的兩倍，令中國風(fēng)力發(fā)電總量超過歐洲、非洲、中東和拉丁美洲的總和。我國目前已經(jīng)成為全球最大的風(fēng)電市場，隨著裝機容量的增長，我國風(fēng)力發(fā)電量也有了顯著的增長，2020年上半年，全國6 000千瓦及以上風(fēng)電廠發(fā)電量2 379億千瓦時，同比增長10.9%，增速比上年同期回落0.6個百分點。

風(fēng)力機葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要的核心部件，葉片的氣動外形以及對發(fā)電機組的控制方式?jīng)Q定了風(fēng)力機的發(fā)電效率和使用壽命。近年來國內(nèi)外對于翼型的研究及優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)在單純的對翼型參數(shù)優(yōu)化及葉片參數(shù)優(yōu)化對于提高風(fēng)力機的捕風(fēng)效率提高已經(jīng)不明顯，要想提高葉片的氣動性能，需要結(jié)合新的葉片結(jié)構(gòu)形式來提高風(fēng)力機的捕風(fēng)能力。

國內(nèi)外學(xué)者在基本翼型尾緣加裝各種Gurney 襟翼，研究結(jié)果表明Gurney 襟翼改變了上下翼面的壓力分布，不同的Gurney 襟翼參數(shù)在一定攻角范圍內(nèi)可增加翼型的升力系數(shù)及升阻比。李傳峰等人用CFD方法研究了可變形尾緣襟翼氣動性能，結(jié)果表明變形尾緣襟翼可明顯提高升力系數(shù)和升阻比。C.P.Van Dam等人研究了微型滑動襟翼(MICROTAB)對翼型氣動性能性能的影響。以上各種改善翼型的氣動性能襟翼裝置各自缺點，Gurney 襟翼與翼型主體的連接強度較低，連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)困難?？勺冃挝簿壗笠碛捎谄浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且變角度不易實現(xiàn)。微型滑動襟翼(MICROTAB)制造成本很高[2]。

在翼型尾緣添加分離式尾緣襟翼對于改善風(fēng)力機氣動性能效果較為明顯，該方法不但可以提高低風(fēng)速風(fēng)力機的捕風(fēng)能力，還能適當(dāng)調(diào)節(jié)和控制風(fēng)力機的功率及載荷，在風(fēng)頻變化較快時還能起到輔助變槳作用，在降低風(fēng)力機的運維成本的同時還可以延長風(fēng)力機的使用壽命。設(shè)計優(yōu)化帶分離式尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片并對其氣動性能進(jìn)行分析具有重要的意義。

文章以南澳風(fēng)場NM600 kW型風(fēng)力機為研究對象，驗證了修正動量葉素理論設(shè)計模型，在此基礎(chǔ)上，在其葉片增加了10%倍弦長的尾緣襟翼，襟翼分別向壓力面及吸力面偏轉(zhuǎn)10°，設(shè)計了帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片，并對其功率進(jìn)行比較和分析。

1 設(shè)計方法驗證

驗證設(shè)計方法可靠性以南澳風(fēng)場的NM600 kW型風(fēng)力機為研究對象，風(fēng)力機具體參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)力機設(shè)計參數(shù)

研究采用修正的葉素-動量理論設(shè)計模型，該方法考慮了葉尖損失和輪轂損失，葉片在展向分為16段，共計17個截面，截面翼型選取具有良好性能的NACA4412，分別對葉片的17個截面弦長和扭角迭代計算，設(shè)計步驟如下：

采用修正的葉素-動量理論設(shè)計模型設(shè)計17個截面翼型弦長和相對扭角時，要先把誘導(dǎo)因子a和b計算出來。葉素-動量理論模型風(fēng)能利用系數(shù)公式為：

(1)

要使得風(fēng)力機捕風(fēng)能效果最好，首先要確保葉片各設(shè)計截面的功率系數(shù)最大，也就是說要求解式(1)的條件極值，可表示為：

(2)

其極值條件可表示為：

b(1-b)λ2=a(1-a)(0

(3)

F=Ft×Fh

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)計算得到各個設(shè)計截面的局部速比λ值，利用式(2)- (7)即可得到相對應(yīng)的誘導(dǎo)因子a與b值，從而可以計算出各個設(shè)計截面對應(yīng)的弦長C 與翼型截面扭轉(zhuǎn)角θ：

(8)

θ=φ-α

(9)

圖1 升力系數(shù)曲線

在設(shè)計風(fēng)力機葉片各個截面弦長及扭角的過程中，設(shè)計攻角α取值至關(guān)重要，圖3表明，攻角α=6°時，翼型NACA4412具有最大的升阻比，為了使風(fēng)力機具有最高的捕風(fēng)效率，把攻角α=6°確定為的葉片個截面設(shè)計攻角，此攻角下翼型的升阻比為CL/CD=126.2，升力系數(shù)、阻力系數(shù)分別為CL=1.073，CD=0.008 5。為了便于與葉根圓柱面過度，葉根處弦長應(yīng)該適當(dāng)降低，所以各截面設(shè)計攻角從葉尖到根適當(dāng)增加，葉根處設(shè)計攻角為α=8°。由于葉根處旋轉(zhuǎn)半徑小，對風(fēng)力機捕風(fēng)能力出力小，葉根處捕風(fēng)效率適當(dāng)降低對整個風(fēng)力機的捕風(fēng)效率影響不大，但確可大幅度降低葉片制造成本。

圖2 阻力系數(shù)曲線

圖3 升阻比曲線

結(jié)合文獻(xiàn)[3-4]，對葉片各個截面弦長及扭角進(jìn)行迭代計算，葉片最終設(shè)計結(jié)果參數(shù)見表2。

表2 風(fēng)力機設(shè)計結(jié)果

葉片的葉尖扭角設(shè)計為0°，沿葉片展向向葉根方向，各個截面翼型扭角逐漸增大，葉根處翼型扭角為21.5°，周向誘導(dǎo)因子由葉尖到葉根逐漸減大，軸向誘導(dǎo)因子由葉尖向葉根越來越小。新設(shè)計功率曲線如圖4所示，圖4表明新設(shè)計風(fēng)力機葉片與文獻(xiàn)[5]計的葉片一致性較好，其弦長比文獻(xiàn)中對應(yīng)弦長略小，且展向翼型扭角分布更加均勻，由于該設(shè)計考慮了輪轂損失和葉尖損失因素，該設(shè)計的葉尖參數(shù)與文獻(xiàn)參數(shù)差別稍大，總體來說，該設(shè)計模型及方法是可靠的、合理的。

圖4 風(fēng)力機的功率圖

2 帶尾緣襟翼風(fēng)力機葉片設(shè)計實例

在驗證了設(shè)計模型及方法的基礎(chǔ)上，采用上述方法對帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，尾緣襟翼選取翼型的10%長，偏轉(zhuǎn)角度按10度，在此襟翼參數(shù)下的翼型氣動性能最好，所以該設(shè)計在此基礎(chǔ)上設(shè)計帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片，風(fēng)力機葉片設(shè)計結(jié)果見表3。

表3 帶襟翼風(fēng)力機設(shè)計結(jié)果

由于帶尾緣襟翼的個截面翼型的升力系數(shù)明顯提高，所以設(shè)計參數(shù)中葉片截面弦長與不帶尾緣襟翼葉片截面弦長明顯減小，各個截面翼型扭角變化不大，該設(shè)計表明帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片可以有效降低葉片的重量。

圖4為三種葉片風(fēng)力機的功率曲線對比，分別為南澳風(fēng)場NM600 kW風(fēng)力機葉片、文章根據(jù)修正動量葉素理論理論設(shè)計的風(fēng)力機葉片、帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片。圖4表明，采用修正的動量葉素理論理論模型設(shè)計的葉片與NM600 kW葉片基本一致，表明該設(shè)計方法是可靠的。在低風(fēng)速下帶尾緣襟翼風(fēng)力機葉片的輸出功率比原風(fēng)力機輸出功率有明顯的提高，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，輸出功率增加不明顯。當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時，帶尾緣襟翼的風(fēng)力機輸出功率相比原風(fēng)力機稍有下降。因為在風(fēng)速低時，葉片各個截面相對翼型攻角較小，尾緣襟翼偏轉(zhuǎn)使得截面翼型的升力系數(shù)且在一定范圍內(nèi)升阻比也增大，導(dǎo)致風(fēng)力機捕風(fēng)效率增加，功率增加，風(fēng)速越小功率輸出增加越明顯，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，風(fēng)力機功率增大接近20%，且風(fēng)力機的啟動風(fēng)速由原來的5 m/s降為4 m/s，增加了風(fēng)力機的運行風(fēng)速范圍。在迎面風(fēng)速高于20 m/s時，風(fēng)力機葉片截面翼型已經(jīng)開始失速，翼型的升阻比不升高反而下降，最終使降低了風(fēng)力機的捕風(fēng)能力。總之帶尾緣襟翼的風(fēng)力機運行的風(fēng)速范圍比原風(fēng)力機增大，可大大增大風(fēng)力機的年發(fā)電量。

表2和3對比表明，帶尾緣襟翼的風(fēng)力機葉片各個截面翼型弦長明顯低于原有設(shè)計葉片對應(yīng)弦長，主要是由于帶尾緣襟翼翼型升力系數(shù)和升阻比有所提高，所以對應(yīng)的葉片截面翼型弦長也相應(yīng)有所降低。

3 結(jié)束語

(1)研究表明修正的動量葉素理論設(shè)計模型是可靠的；

(2)帶尾緣襟翼的風(fēng)力機可以在一定范圍內(nèi)提高風(fēng)力機的輸出功率，且可以降低風(fēng)力機原有的啟動風(fēng)速，擴大風(fēng)力機的有效運行風(fēng)速范圍，進(jìn)而提高風(fēng)力機年發(fā)電量；

(3)帶尾緣襟翼的風(fēng)力機可以在一定程度上減小葉片的截面翼型的弦長，降低葉片的質(zhì)量，降低葉片的制造成本。