风力发电叶片加长改造分析及研究

黄有慧，杨瑞志

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年来，随着国内风电市场的快速发展，新机型不断出现，通过加大风轮叶片长度来增加扫风面积，增加低风速下的发电效率，已经成为风电行业当今的发展趋势。对于叶片厂家来说，如何在原有型号叶片模具上进行改造加长，更新加长产品成为关键[1]。对于业主已经投运的风机，如何在高空进行叶片加长改造，提高低风速发电效率成为重点。如何对老型号叶片进行有效的改造尤为重要，叶片加长改造不但要保证叶片本身运行的安全性，还要保证风电机组在叶片加长、加重之后的承载能力[2]。本文主要针对不同的方式改变或加长 1.5MW 叶片后相关参数的变化进行对比分析及研究。

1 气动外型研究

1.5 MW叶片加长包括3种方案：将43.5m的叶片叶根增长2m，得到45.5m 叶片；将43.5m的叶片叶尖增长2m，得到45.5m叶片；将45.5m叶片的叶根节圆直径由 2110mm改为 1800mm，用于1.5MW机组。本文分别按照这3种方案对叶片进行改造，并对改造后叶片参数变化进行分析。

1.1 方案1：43.5m叶片叶根加长

将43.5m叶片在最大弦长位置(8m)分为2段，见图 1。将 8～43.5m 段朝叶尖方向平移 2m，则原8m位置成为新叶片的10m位置；0～8m段不变，然后将 8～10m段补完整，保证与原叶片光滑过渡。相对厚度、扭角、变桨轴等参数基本不变。

图1 方案1叶片弦长与43.5m叶片弦长对比Fig.1 Comparison of chord length between scheme 1 and 43.5m blade

1.2 方案2：43.5 m叶片叶尖加长

保持 43.5m叶片的 0～39m段不变，将叶片加长至 45.5m，见图 2。以叶尖为基准，对比 3种叶片的弦长，见图3，本方案的弦长比45.5m小。

图2 方案2叶片弦长与43.5m 叶片弦长对比Fig.2 Comparison of chord length between scheme 2 and 43.5m blade

图3 以叶尖为基准方案1、2叶片弦长与43.m弦长对比Fig.3 Comparison of tip chord length between schemes 1, 2 and 43.5m blade

1.3 方案3：45.5 m叶片叶根外径修改

修改45.5m叶片 0～8m弦长分布，将叶根圆柱段节圆直径由 2110mm 改为 1800mm，与 1.5MW机组匹配，见图 4，8m 以上位置弦长不变。相对厚度、扭角、变桨轴等做局部调整，保证叶根几何外形光顺。

图4 方案3叶片弦长与 45.5m 叶片弦长对比Fig.4 Comparison of chord length between scheme 3 and 45.5m blade

2 气动性能分析

分别计算3种加长方案叶片以及43.5m叶片的气动性能(表1)，其中Cp考虑了仰角和锥角，年发电量按照Ⅲ类风区，可用率为95%(考虑了损失)。

表1 气动性能对比Tab.1 Aerodynamic performance comparison

3 重量与载荷分析

3.1 重量

叶片加长和修改时，假定原铺层方案不变，对43.5m叶片只增加 2m段的重量，对 45.5m叶片按弦长减小比例、减少重量，根据经验估算叶片重量(表2)。由于43.5m叶片、叶根段表面积大于叶尖段，8m位置的质量线密度为叶尖区域的5倍以上，方案1增加的重量预计为方案2增加重量的5倍左右。

表2 叶片重量估算Tab.2 Estimation of blade weight

3.2 载荷

由于叶片的结构无法确定，只计算了叶片稳态运行载荷(表3)。

表3 稳态运行载荷计算Tab.3 Calculation of steady-state operating load

4 总 结

3种方案的叶片弦长见图 5，叶片技术参数对比见表4，可以得出如下结论。

①方案3的弦长最大，因此稳态叶根载荷和重量也最大，年发电量比方案1和方案2仅多4万kW·h。相比改造成本和技术要求都高，因此不建议选用方案3。

②虽然方案1比方案2的Cp-max小，但是弦长大，所以这2种方案的发电量相当，均比43.5m叶片大25万kW·h。考虑到方案2的弦长小，稳态叶根载荷和重量最小，相比改造成本和技术要求都低。

图5 各种方案叶片弦长对比Fig.5 Comparison of chord length

表4 各种方案叶片技术参数对比Tab.4 Comparison of blade technical parameters

由以上结论可以看出，风电叶片加长改造的最优方式应为加长叶尖。加长叶尖相比原叶片弦长变化最小，同时相对的稳态叶根载荷和重量也最小，因此叶尖加长改造相对容易，成本也最低[3]。另外，从改造后的效率和发电量上看差距也并不明显，全年发电对比相差在 0.1%以内，改造后的经济效益同样能达到最优[4]。