引言 　　風(fēng)力發(fā)電是獲得清潔、可再生能源的主要技術(shù)形式之一。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求。由于 風(fēng)電葉片是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié),對(duì)機(jī)組的整體性能影響很大,有關(guān)的設(shè)計(jì)方法始終是研究的熱點(diǎn)。 　　翼型作為葉片外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),對(duì)葉片的空氣動(dòng)力特性和質(zhì)量有重要的影響。目前風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)一般以低速飛機(jī)的航空翼型為基礎(chǔ),并進(jìn)行必要的改型。但由此帶來(lái)的葉片結(jié)構(gòu)與其氣動(dòng)性能矛盾突出,已成為大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為設(shè)計(jì)出更長(zhǎng)的葉片,需要研究解決上述問(wèn)題的方法,以有效提高葉片設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低葉片成本,為開(kāi)發(fā)更大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供技術(shù)支持。 　　1、風(fēng)電葉片應(yīng)用航空翼型的局限性 　　低速航空翼型一般具有較好的氣動(dòng)性能,因而在風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于這些翼型的雷諾數(shù)相對(duì)較高且厚弦比較小,往往難以在大型風(fēng)電葉片的根部區(qū)域直接應(yīng)用,需要考慮并解決以下問(wèn)題大型風(fēng)電葉片的雷諾數(shù)普遍較低,特別是在葉片與輪轂連接的區(qū)域,若直接采用適用于高雷諾數(shù)的航空翼型則很容易發(fā)生氣流分離,造成氣動(dòng)力的顯著損失和葉片失速,導(dǎo)致葉片載荷增大。 　　為滿(mǎn)足葉片與輪轂連接的區(qū)域結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的要求,必須加大這部分截面翼型的厚度,但相應(yīng)的翼型弦長(zhǎng)也會(huì)加大,可能超出風(fēng)電葉片允許的范圍。 　　對(duì)于變槳矩控制的風(fēng)電機(jī)組,葉片與輪轂聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)要求葉片根部呈圓筒狀外形,使氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾更加突出。 　　為解決這些問(wèn)題,迄今風(fēng)電葉片多采取對(duì)航空翼型截頭去尾的改型設(shè)計(jì)方法。此方法雖能滿(mǎn)足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要,但對(duì)其氣動(dòng)性能的影響卻比較大。簡(jiǎn)單地削除原有翼型的前緣和后緣,可能會(huì)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(dǎo)致翼型氣動(dòng)性能顯著降低。 　　2、鈍后緣翼型的分析 　　2.1鈍后緣翼型 　　鈍后緣翼型是針對(duì)大型風(fēng)電葉片根部區(qū)域低雷諾數(shù)、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求,對(duì)低速航空翼型的一種改型設(shè)計(jì)。其基本方法是以原翼型的前緣為鉸點(diǎn),按一定相對(duì)弦長(zhǎng)厚度比分開(kāi)后緣。 　　2.2鈍后緣翼型的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性 　　圖1所示TR-35-10型風(fēng)電葉片翼型,是一種以TR-35型尖后緣航空翼型為基礎(chǔ),通過(guò)鈍后緣方法增加10%厚度的改進(jìn)翼型。 　　（1）鈍后緣翼型的基本結(jié)構(gòu)特性 　　對(duì)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(dòng)力特性 　　鈍后緣翼型可以增加其截面的最大升力系數(shù)和升力曲線斜率,因而對(duì)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(shí)相應(yīng)的壓力減小;而在翼型后緣區(qū)域的氣流會(huì)減速,剩余的動(dòng)能若不足以抵抗強(qiáng)烈的逆壓梯度,將導(dǎo)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(diǎn)增加后緣厚度的方法,可以在增加翼型最大厚度的同時(shí),相應(yīng)地降低氣流通過(guò)截面最厚點(diǎn)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(gè)與邊界層自適應(yīng)的尖后緣,使氣流一直附著在翼型表面,改善其氣動(dòng)性能。 　　圖2鈍后緣對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響 　　通過(guò)以上討論可知,從空氣動(dòng)力學(xué)角度看,TR-35-10采用的鈍后緣翼型設(shè)計(jì)方法不僅能夠提高翼型的最大升力系數(shù),同時(shí)也可以降低對(duì)葉面污染的敏感性，因此,以鈍后緣翼型作為對(duì)低速航空翼型改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),是改善風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性的一種可行方法。 　　3、葉片的翼型分布 　　鑒于大型風(fēng)電葉片長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米,翼型厚度的增加勢(shì)必會(huì)對(duì)葉片質(zhì)量、載荷分布和制造成本產(chǎn)生較大影響。因此,簡(jiǎn)單地采取沿葉片長(zhǎng)度均勻增大翼型厚度的改型設(shè)計(jì)方法顯然不盡合理,需要進(jìn)一步研究沿葉片展向翼型的分布問(wèn)題。 　　3.1葉片設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)系數(shù) 　　根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),國(guó)外學(xué)者曾針對(duì)某種風(fēng)電葉片,以對(duì)應(yīng)55%風(fēng)輪半徑的葉片長(zhǎng)度(0155r/R)為參考值,劃分葉片的內(nèi)外區(qū)域;對(duì)位于葉根附近的內(nèi)區(qū)域以結(jié)構(gòu)特性為主,而在靠近葉尖的外區(qū)域以氣動(dòng)特性為主的翼型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,這種方案能有效地增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)也可以較好地滿(mǎn)足葉片的整體氣動(dòng)性能的要求。 　　應(yīng)指出:由于上述劃分葉片內(nèi)外區(qū)域的方案是針對(duì)特定葉片的性能試驗(yàn)提出,其定義尚不夠明確。有鑒于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式和基本參數(shù)(如功率、風(fēng)輪半徑、葉片長(zhǎng)度等)差別很大,同時(shí)考慮到葉片一般是作為風(fēng)電機(jī)組的獨(dú)立部件,需要對(duì)此問(wèn)題作進(jìn)一步研究,以形成一種可行的設(shè)計(jì)方法供葉片設(shè)計(jì)過(guò)程采用。 　　通過(guò)對(duì)大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)要求和方法的分析,針對(duì)葉片翼型改進(jìn)設(shè)計(jì)中氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的矛盾,有必要設(shè)立一葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)J。 　　以一定的J值為界,沿風(fēng)輪半徑增大的方向,將葉片劃分為內(nèi)圈和外圈兩個(gè)區(qū)域。 　　在葉片的內(nèi)圈部分可考慮以結(jié)構(gòu)特性為主的翼 型設(shè)計(jì)方案;而在葉片的外圈區(qū)域則以氣動(dòng)特性為主進(jìn)行翼型的設(shè)計(jì)。 　　圖3 葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)的定義 　　系數(shù)J的取值,應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求,如機(jī)組總體結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和載荷情況等因素確定。顯然,J值對(duì)葉片的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的影響,且與機(jī)組的性能密切相關(guān),應(yīng)考慮將其作為大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的基本參數(shù)之一。因此,結(jié)構(gòu)系數(shù)J不應(yīng)是一個(gè)定值,還需要深入研究其內(nèi)在規(guī)律以及對(duì)設(shè)計(jì)要求的影響,逐漸形成相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本約束條件。 　　3.2葉片內(nèi)外圈翼型的選擇 　　由于大型風(fēng)電葉片長(zhǎng)數(shù)十米,質(zhì)量以噸計(jì),內(nèi)圈區(qū)域所承受的彎曲和疲勞載荷很大,因此設(shè)法加強(qiáng)該區(qū)域的強(qiáng)度是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。研究表明,在內(nèi)圈區(qū)域采用鈍后緣翼型增加葉片截面厚度對(duì)改善葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極其有利,同時(shí)也是減小葉片單位體積質(zhì)量,避免葉片成本隨長(zhǎng)度成冪律增長(zhǎng)的主要途徑。一般意義上,可以考慮沿葉片展向從葉尖開(kāi)始從薄到厚的翼型分布設(shè)計(jì),滿(mǎn)足葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能的要求。 　　雖然鈍后緣翼型會(huì)增加截面阻力,但是由于分離點(diǎn)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(nèi)圈區(qū)域,采用鈍后緣翼型,無(wú)論從結(jié)構(gòu)力學(xué)還是空氣動(dòng)力學(xué)角度看都是合理的。 但對(duì)于葉片外圈區(qū)域而言,主要設(shè)計(jì)要求是最大限度地發(fā)揮其氣動(dòng)性能,一般應(yīng)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(yīng)的結(jié)構(gòu)載荷卻比較小,故在外圈區(qū)域不應(yīng)采用鈍后緣加厚翼型。 　　實(shí)際上,由于外圈區(qū)域相對(duì)力臂長(zhǎng),選擇高升阻比的翼型對(duì)提高葉輪整體的氣動(dòng)性能十分有利。因此,在葉片的外圈區(qū)域設(shè)計(jì)中,宜更多地關(guān)注升阻比較高的翼型(如NREL的S831、S830等),考慮選擇此類(lèi)尖后緣且較薄的翼型。 　　以某變槳矩控制風(fēng)電機(jī)組的葉片設(shè)計(jì)為例,原設(shè)計(jì)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(duì)失速控制風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的,最大升力系數(shù)較低,氣動(dòng)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(duì)厚度x/c=0118,設(shè)計(jì)升力系數(shù)為115;S830作為外圈最主要的0175R處翼型,x/c=0121,設(shè)計(jì)升力系數(shù)為116,這種設(shè)計(jì)布局較大地提高了該葉片的氣動(dòng)性能。 　　3.3葉片內(nèi)圈翼型與整體氣動(dòng)性能的關(guān)系 　　從風(fēng)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)觀點(diǎn)看,風(fēng)電葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是產(chǎn)生盡可能大的轉(zhuǎn)矩,且沿葉輪軸向的推力較小。然而,在葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中。 　　圖4削平后緣對(duì)轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響 　　4.結(jié)論 　?。?）提出葉片結(jié)構(gòu)系數(shù)J,并給出該系數(shù)的明確定義。以J為界,可將葉片分為內(nèi)圈和外圈區(qū)域。 　?。?）對(duì)于大型葉片的內(nèi)圈部分的翼型設(shè)計(jì),可著重于結(jié)構(gòu)要求,采用鈍后緣的改進(jìn)翼型設(shè)計(jì),以提高葉片截面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,同時(shí)維持較好的氣動(dòng)性能。 　　（3）沿葉片的展向采用改進(jìn)翼型截面與航空翼型截面相結(jié)合的布局方式,可有效地緩解葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾,在葉片外圈區(qū)域宜采用升阻比較高的薄翼型。 　?。?）結(jié)構(gòu)系數(shù)J的取值對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)性能有重要的影響,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)確定。 更多詳細(xì)報(bào)道請(qǐng)關(guān)注復(fù)材網(wǎng) www.cnfrp.com