基于效率提升的风机叶片优化设计和应用研究

黄辉 白乐 高述科

摘要：针对占我国面积近50%地区的风能可利用区只有发展新型适合低风速地区的风力发电技术才能更加高效地开发利用这些广袤地域的风能风力发电机中最重要的结构部件则是叶片，因此叶片的结构设计在风力发电技术中显得尤为关键。基于目前我国风力发电技术的初步发展和未来的良好前景，本文提出风力机叶片的优化设关键

关键词：风力发电;风机叶片;组合优化设计;提高效率

引言

在诸多可再生新型能源的技术开发中，风力发电占据突出的地位，其具有重要的开发利用价值和良好的未来发展趋势，在21世纪得到前所未有的发展。随着生存环境的恶化，世界各国组织呼吁对新型环保绿色能源的大力开发利用，科学技术的进步和政府的大力提倡，极大地推动了风力发电技术的发展。随着生态环境的不断恶化，开發能源的绿色和环保性能备受瞩目，各国政府都在不断提倡新环保能源的开发和使用。风力发电因其自身的发展优势在可再生新型能源的技术开发中居于重要地位，风力发电得到有效推广并具有良好的发展前景。风力机叶片作为发电机的重要组件，其投入的成本占风机组总成本的20%以上，其高机械性能和运转能力是风机高效运行的重要保障。由于风力发电机结构复杂，身处于复杂的地理环境中，容易产生疲劳破坏和多种降低风力发电效率的负面影响因素[1]。为达到提高风机叶片的气动性能、降低成本和提升风机叶片的功率的目的，对风力发电机叶片进行优化和设计具有必要性。

一、风机叶片优化方案设计内容

现有关于风机叶片设计中提出通过可以叶尖延长、安装格林襟翼和涡流发生器等方法来提升叶片性能的方法，文章在综合考虑风电机组叶片原始设计缺陷、风场资源和技术风险等因素，采用增加涡流发生器和扰流板的组合装置来提高电机叶片运转功率。现有研究表明，安装涡流发生器和扰流板能够提高电能产量在2%～3%左右。增加了扰流板，主动改变了翼型形状，当地截面形状改变后，增加其升力系数和升阻比。涡流发生器主要是对吸力面一侧的流体进行扰流，通过改变升力系数来提高其运行效率。

1.1 涡流发生器优化设计

涡流发生器是以一固定安装角垂直布置在风力机叶片表面的扰流器。通过与来流相互作用，利用其产生的翼尖涡实现层流边界层向湍流边界层的转捩，达到增升减阻的目的，提高升阻比和发电效率。叶片涡流发生器主要是对吸力面一侧的流体进行扰流，在吸力面出现流体分离时，增加吸力面位置的速度，速度增加，吸力面压强减小，两侧压强差△P增大，叶片表面受力增加，导致做功总量和功率均增大。当涡流发生器安装在叶根设计攻角大、阵风或者湍流强度较大和叶片表面存有污垢时其增功优势较为明显。

涡流发生器是一些小的改性ASA材质的三角翅片。翅片相互之间有一定方向角度排列。拼装长度根据风机实际出力不足的弥补量进行取舍，一般为叶片长度的25%～55%。用进口防脱落异类物质连接胶水将其安装在叶片背风侧靠近叶片根部的入流端。

1.2 扰流板优化设计

叶片扰流板主动改变风机叶片的形状设计，主要为弥补叶根部区域整体出力较小带来的设计缺陷。在安装扰流板后，吸力面的流速有了较高提升，吸力面压强减小，压力面的流速减小导致压力面压强增加，叶片表面的压强差增加，叶片表面受力增加，做功增加，功率提高。如图1所示（横坐标代表翼型弧线长度，即弦线位置，纵坐标代表了压强值），增加扰流板后，压力面的压强增加，即红色面积大于蓝色面积，图2显示吸力面的压强出现减小，即红色的面积大于蓝色的面积，最终由于压强差的作用，产生了升力系数的改变，增加其升力系数和升阻比。扰流板引起的升力系数的增加不分区域，即引起了所有运行段升力系数的增加，大幅增加当地截面的受力，增加发电量。

在实际中，增加涡流发生器和扰流板的增功方案操作简单，利用胶质物实现轻质物的粘结即可，载荷影响较小，对叶片结构未产生破坏性影响，安装后的增功翼型如图3和图4所示。在对风机进行涡流发生器和扰流板的增加设计方案中，首先对叶片进行三维流动分析，确定轴向安装位置和叶片表面流动分离点。计算原始翼型性能，确定涡流发生器和扰流板的安装位置和间距后，对带增功物件的叶片翼型性能进行测算。在翼型性能和发电量、载荷等满足设计要求的情况下，确定风机叶片增功物件的最佳位置。

二、风机叶片优化设计风电场应用实测

为了研究优化设计后的风机叶片效率的变化，选取并设置安装机组与非安装机组做参照和对比，采集两者在安装前和安装后一定时期内的风速、转速和功率的相关数据，对异常和偏差较大的数据点进行剔除，拟合功率曲线，得到发电量变化的评估数据。根据风机叶片优化方案，选择某一风电场的三台机组进行发电机叶片优化设计实验，该场地没有易滑物，能见度较高，风速≤8m/s，选择1号和2号机组进行试验验证。其中1号机组未进行任何操作，2号机组为技改机组。

2.1 技改前后1号机组和2号机组的功率对比

首先对1号机组和2号机组的功率进行对比，其中主要风速段的功率均呈现上升状态，在部分高风速段机组功率有所下降，如图5、图6、图7所示。

根据技改前后的1号机组和2号机组功率变化对比，可以看出1号机组的在不同风速段的功率明显高于2号机组，两个机组的功率差别较大。通过在对2号机组改装设计后，2号机组的功率得到明显提升，与1号机组的功率差变小。综合来看，整体风速段的功率都是增加的，部分高风速段的功率呈现下降趋势[3]。

2.2 两个机组功率综合对比结果

通过1号和2号机组在不同风速段的功率变化综合对比，可以看出经过增加增功附件的2号机组较之前未增加增功附件的功率有了较明显的提高，在主要风速段的功率均为增加的状态。

根据2号机位安装增功附件前后发电效率对比，统计安装涡流发生器和扰流板后的机组在不同风速段的年发电量的增加量，从表1中可以看出优化后的风机年发电量都体现不同程度的增加，经过分析增功发电量约2.3%。在风速为7.1m/s的年发电增加量最大，在部分风速段发电量呈下降状态，可能受风机发电过程中风机器件的老化或受损期间未及时更换带来的影响。

结语

在资源短缺，新能源备受关注和发展迅速的当今社会，风力发电成为很多国家推动新能源发电的方式。风机叶片作为提高风机发电效率的重要部件，其设计性能对风机效率影响很大。通过增加涡流发生器和扰流板等增功部件方式优化风机叶片，在遵循简单易行的原则上，根据设计指标数据达标后的方案，显示增加增功部件的风机在主要风速段的效率得到明显提升，带来风机叶片效率提升的目的，为企业风机叶片优化提供新的思路。

参考文献：

[1]陈加瑞，黄昭，刘之雷，黄忠文.基于数值仿真的离心风机叶片优化设计[J].武汉工程大学学报，2019，41（06）：606-610.

[2]弓海斌.某型高速动车组牵引变流器主风机叶片故障分析及优化设计[J].铁道车辆，2019，57（12）：17-19+4.

[3]沈鑫成，孙后环，吴旭龙.基于粒子群优化算法的风机叶片铺层厚度优化与分析[J].轻工学报，2019，34（06）：103-108.

[4]杨阳，曾攀，雷丽萍.大型水平轴风力机新型叶片结构设计思想和研究进展[J].工程力学，2019，36（10）：1-7.

[5]杨柳，季远杰，李亚磊，汪宏.海上智能自动定位浮式灯塔结构设计研究[J].城市建设理论研究（电子版），2018（28）：172-173.

[6]路颜，程光威.垂直轴风力机三维气动性能研究及优化设计[J].机械与电子，2018，36（09）：20-22+26.

[7]辛东旺. 风力发电机叶片三维建模及分析[D].西安理工大学，2018.