文 | 時(shí)文剛

我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng)，但是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可避免地出現(xiàn)了一些問題。例如，在產(chǎn)業(yè)起步階段安裝的風(fēng)電機(jī)組，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平限制、受當(dāng)時(shí)風(fēng)能資源開發(fā)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)以及風(fēng)電機(jī)組及部件市場(chǎng)供不應(yīng)求等情況影響，一些風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)電機(jī)組選型、微觀選址與風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)等方面存在一定程度的偏差。經(jīng)過幾年的運(yùn)行，這些風(fēng)電場(chǎng)逐步暴露出風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能力不足、設(shè)備可靠性不高與可利用率偏低等現(xiàn)象。因此，針對(duì)這些風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)改造，特別是提高能效方面的改造，受到風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營企業(yè)的關(guān)注。

葉片空氣動(dòng)力特性是決定風(fēng)電機(jī)組優(yōu)劣的關(guān)鍵問題之一。有限長(zhǎng)度的葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于葉尖壓力面和吸力面的壓力差，導(dǎo)致壓力面氣流繞過葉尖端面流入吸力面，形成復(fù)雜的三維流動(dòng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的葉尖渦。葉尖渦是造成葉片效率降低、疲勞載荷增加和葉尖噪聲增大的主要原因之一。改善葉片的風(fēng)能利用效率是風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改造中的一條重要技術(shù)路線，利用流體動(dòng)力學(xué)原理，在風(fēng)電機(jī)組葉片尖部設(shè)計(jì)、安裝一些裝置可以有效地保持葉尖二維流動(dòng)特性，減小葉尖渦影響，從而提高葉片效率，相應(yīng)地提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。本文著重對(duì)國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼提效技術(shù)的研究成果進(jìn)行分類梳理，并提出了進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展方向。

風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的研究現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，人們一直力圖通過改變飛機(jī)機(jī)翼翼尖處的幾何形狀，研究減小誘導(dǎo)阻力的有效方法。上世紀(jì)70年代，美國國家航天局的Whitcomb從鳥翅膀尖部的小翅得到啟發(fā)，在飛機(jī)機(jī)翼的翼梢處安裝了小翼片，從而減少了機(jī)翼的20%誘導(dǎo)阻力，預(yù)計(jì)可節(jié)省7%的燃油。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用非平面的翼梢升力裝置可以更好地減小誘導(dǎo)阻力，這些裝置包括翼尖端板、翼尖帆片、翼梢小翼等。

基于飛機(jī)翼稍升力裝置的研究成果，1976年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Van Holten最早提出了在風(fēng)電機(jī)組葉尖處添加小翼的概念。隨后，由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與美國Aero Vironment公司共同啟動(dòng)了風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的研究。由Aero Vironment公司提出的Aero Vironment型的小翼被實(shí)際用于水平軸風(fēng)電機(jī)組并成功提高了風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

日本三重大學(xué)清水辛丸教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組也做了多種小翼設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究，得出了不同葉尖速比情況下的功率放大系數(shù)曲線，并成功的開發(fā)了一種葉尖小翼，即Mie型小翼（Mie Vane）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果，在葉片尖速比為4時(shí)，采用Mie型葉尖小翼后，風(fēng)電機(jī)組功率可提升27%，葉片風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp最大可達(dá)0.45。在葉片尖速比為5時(shí)，采用Mie型葉尖小翼后，實(shí)驗(yàn)用風(fēng)電機(jī)組功率可提升17%。另外，根據(jù)測(cè)試結(jié)論，在葉片尖速比大于8時(shí)，未顯示Mie型葉尖小翼可有效提高風(fēng)電機(jī)組功率系數(shù)。

丹麥技術(shù)大學(xué)的Ris 國家實(shí)驗(yàn)室的Jeppe Johansen，針對(duì)當(dāng)前MW級(jí)的風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)安裝小翼的風(fēng)電機(jī)組葉片附近的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了數(shù)值分析。通過調(diào)整小翼的四個(gè)主要形狀參數(shù)，分析這些參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)與推力的影響。分析結(jié)果顯示，對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組安裝葉尖小翼可以將風(fēng)能利用系數(shù)提升大約1.0%－2.8%，額外產(chǎn)生的推力升高大約1.2%－3.6%。

美國威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的Alka Gupta同樣應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，分析了在葉輪直徑20m的風(fēng)電機(jī)組壓力側(cè)安裝葉尖小翼后，葉片風(fēng)能利用系數(shù)隨小翼傾斜角與小翼高度的變化情況。分析結(jié)果表明，葉尖小翼可以提高葉片風(fēng)能利用系數(shù)2%－20%。45°傾斜角小翼比垂直小翼（90°后掠角）功率提升更大。另外，功率提升隨小翼高度增大而增大。在研究的四種小翼形狀中，45°傾斜角、4%葉片長(zhǎng)度的小翼在風(fēng)速為19m/s時(shí)可以提高葉片風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)20%。

丹麥VESTAS公司K. B. Godsk對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼也做了大量研究，對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)葉片的風(fēng)電機(jī)組，在平均風(fēng)速為8.5m/s時(shí)，針對(duì)小翼的不同延伸量，計(jì)算了風(fēng)電機(jī)組的理論平均風(fēng)速年發(fā)電量。高度為1%葉片半徑的小翼增加年發(fā)電量0.9%，2%小翼增加年發(fā)電量1.5%，4%小翼增加年發(fā)電量2.4%。對(duì)于落在5m/s－11m/s之間的風(fēng)速，效果特別明顯。因?yàn)閷?duì)于較小的風(fēng)速，風(fēng)的徑向運(yùn)動(dòng)的效果有限。隨之葉尖小翼高度增大，發(fā)電量增量趨向于增大，但是受到機(jī)械構(gòu)造約束，以及受存在小翼而在葉片的翼尖部分上產(chǎn)生的力的約束，使得小翼高度實(shí)際上限大約為風(fēng)輪機(jī)半徑的5%。

德國Siemens公司的S ren Hjort對(duì)其公司SWT－2.3－93型風(fēng)電機(jī)組加裝葉尖小翼后的性能做了CFD數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明：46.2m葉片在10m/s的風(fēng)速下，在葉片flapwise（拍打）方向加裝2.5m高的小翼后，葉片風(fēng)能利用系數(shù)增加2.6%；在葉片edgewise（擺振）方向加裝2.5m高的小翼后，葉片風(fēng)能利用系數(shù)增加1.1%。

德國Enercon公司已經(jīng)成功將葉尖小翼廣泛應(yīng)用于E33－330、E48－800型及后續(xù)型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組上，如圖1所示。通過綜合采用葉尖小翼、葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)和葉片根部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)，其E33風(fēng)電機(jī)組葉片的實(shí)測(cè)風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.56，已與貝茲極限0.593非常接近。

國內(nèi)在該研究領(lǐng)域的研究始于上世紀(jì)90年代末期。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的汪建文教授應(yīng)用計(jì)算流體軟件FLUENT對(duì)風(fēng)電機(jī)組加小翼氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉尖加小翼的作用進(jìn)行了初步探索。通過實(shí)驗(yàn)，摸索不同尖速比λ的情況下，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)Cp值的變化規(guī)律，以及小翼對(duì)風(fēng)電機(jī)組的扭矩、轉(zhuǎn)速以及輸出功率等參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明：與無小翼風(fēng)電機(jī)組對(duì)比，有小翼風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量增加量為3%－8%。

圖1 Enercon公司E48-800型風(fēng)電機(jī)組的葉尖小翼

南京航空航天大學(xué)的王同光教授針對(duì)基于分裂葉尖布局的概念型水平軸風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)特性，利用計(jì)算流體力學(xué)方法展開數(shù)值模擬研究，并與自由渦尾跡方法的分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在NREL phase VI實(shí)驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，研究了合理布局的分裂葉尖小翼之間的相互作用對(duì)大風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組葉片流動(dòng)分離與總體氣動(dòng)特性的改善效果。在不明顯增大軸向推力的前提下，以風(fēng)能利用系數(shù)形式給出的氣動(dòng)效率得到明顯改善，在20m/s風(fēng)速時(shí)，比原始設(shè)計(jì)提高可達(dá)30%左右。

風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的理論模型

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Van Bussel，針對(duì)安裝Mie小翼的風(fēng)電機(jī)組，提出了基于全局動(dòng)量理論（Global Momentum Theory）的模型，這也是迄今為止僅有的關(guān)于風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼理論模型，該理論對(duì)其他形式的葉尖小翼同樣具有參考意義。

全局動(dòng)量理論假設(shè)下游部分的Mie小翼使渦尾流向下風(fēng)向后移。而且，還假設(shè)Mie小翼也在風(fēng)電機(jī)組上產(chǎn)生軸向力，但不改變?nèi)~片上的總壓。該理論僅適用于較小的無量綱小翼下游長(zhǎng)度d＝D/R，d≤0.2，其中D為小翼高度，R為葉片長(zhǎng)度。據(jù)此，推導(dǎo)求得葉片功率系數(shù)Cp,Mie值：

式中α為軸流誘導(dǎo)因數(shù)或入流系數(shù)。參數(shù)β（0≤β≤1）表示葉片載荷向小翼部分傳遞的渦尾流載荷系數(shù)。當(dāng)β＝0時(shí)，沒有渦尾流載荷傳遞。這種情況下，Mie小翼對(duì)于葉片性能僅有負(fù)面作用，因?yàn)槠洚a(chǎn)生額外的空氣阻力。當(dāng)β＝1時(shí)，全部葉片渦尾流載荷被傳遞到Mie小翼，即渦尾流影響完全向下游傳遞。當(dāng)d＝0時(shí)（無小翼），上式還原為經(jīng)典理論中的風(fēng)能利用系數(shù)Cp。

通過對(duì)式（1）求導(dǎo)，最大風(fēng)能利用系數(shù)在以下情況下取得：

從而可以得到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,Mie

根據(jù)該理論模型，在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,Mie時(shí)，葉輪平面的氣流入口速度Uevw為：

式中U為氣體流速。

相應(yīng)地，在尾流遠(yuǎn)端的氣流速度Uwake為：

根據(jù)伯努利方程，在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,Mie時(shí)，在葉輪盤面前后產(chǎn)生的最大壓力降Δpmax為：

由上式可以看出，在葉輪盤面處的最大壓力降要大于根據(jù)經(jīng)典理論計(jì)算的最大風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)的最大壓力降。因此，正是葉尖小翼產(chǎn)生的更大壓力降提高了葉片的風(fēng)能利用系數(shù)。

常見的風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼形式

一、Mie型葉尖小翼

日本三重大學(xué)清水辛丸教授最早提出了Mie型小翼設(shè)計(jì)，其形狀參數(shù)如圖2所示。

根據(jù)在模型風(fēng)電機(jī)組上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Mie型葉尖小翼的上游部分對(duì)葉片功率系數(shù)的提升作用不大；對(duì)于V型和S型小翼，S型小翼的提效功能稍好一些；Mie型小翼與葉尖弦長(zhǎng)之間的比例是一個(gè)非常重要的參數(shù)，增加Mie型小翼下游部分的小翼長(zhǎng)度可以提高葉片功率系數(shù)，但這種提升效果是非線性的；Mie型小翼的外傾角α與β非常重要，最佳外傾角是α＝15°與β＝20°；葉輪功率還受Mie型小翼的安裝角γ的影響，γ＝0°時(shí)，葉輪功率最大，隨γ增加，葉輪功率下降。此外，風(fēng)電機(jī)組葉輪最優(yōu)尖速比的提高反而會(huì)使葉片功率系數(shù)的最大值降低，因?yàn)樵诟呒馑俦认?，粘性阻力損失會(huì)加大。

二、后掠型葉尖小翼

與飛機(jī)中應(yīng)用的翼梢小翼類似，風(fēng)電機(jī)組葉片可以加裝后掠型葉尖小翼來提高發(fā)電性能，后掠型葉尖小翼的形狀參數(shù)如圖3所示。

風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼向氣流下游（低壓側(cè)）彎曲時(shí)，小翼高度會(huì)受到風(fēng)電機(jī)組葉片與塔筒之間的間隙大小的約束。因此，一般都采用彎向氣流上游（高壓側(cè)）的葉尖小翼。然而，研究表明，采用彎向低壓側(cè)葉尖小翼的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能要高于采用彎向高壓側(cè)葉尖小翼的風(fēng)電機(jī)組。

圖2 V型與S型Mie小翼的形狀參數(shù)

圖3 后掠型葉尖小翼的形狀參數(shù)

后掠型葉尖小翼具有以下特點(diǎn)：當(dāng)葉尖小翼的傾斜角減小時(shí)，葉片功率系數(shù)增大；后掠角的大小對(duì)葉片功率影響不大；隨著小翼彎徑的減小，葉片功率系數(shù)增大；小翼扭角對(duì)葉片功率提升作用較小；另外，葉片功率提升隨小翼高度增大而增大。有研究表明，基于葉輪直徑20m的實(shí)驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)用CFD分析計(jì)算，葉片功率提升效果隨風(fēng)速以及小翼參數(shù)的不同而不同。例如，高度為4%葉片長(zhǎng)度，45°傾斜角的后掠型小翼在風(fēng)速為19m/s時(shí)可以提高葉片效率可達(dá)20%。

三、分裂型葉尖小翼

基于多片小翼概念的分裂型葉尖小翼形式基本形式如圖4所示。

圖4 分裂型葉尖小翼的形狀參數(shù)

由于采用分裂葉尖形式的氣動(dòng)布局，多個(gè)小翼將原來集中于葉尖附近的渦流進(jìn)行了重新分配。分裂葉尖的布局使得近尾跡區(qū)渦核附近的渦量極值比原始葉片大為降低，從而有效減弱下游集中渦流的誘導(dǎo)作用。另一方面，通過合理布置小翼，能夠使葉片端部區(qū)域在中等和大風(fēng)速下可以獲得額外的前緣吸力，從而實(shí)現(xiàn)更高的氣動(dòng)效率。有CFD研究表明，對(duì)于葉輪直徑10m的20kW實(shí)驗(yàn)變槳風(fēng)電機(jī)組（NREL PHASE VI風(fēng)電機(jī)組），在原始葉片85%展長(zhǎng)位置改為由三段相互獨(dú)立的小翼組成的分裂葉尖布局，各小翼均無扭轉(zhuǎn)，各小翼的翼尖與翼根之間的長(zhǎng)度比（根梢比）均為0.75，后掠角均為45°，從前緣向后緣傾斜角（上反角）依次為40°、20°、0°，在10m/s－25m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組扭矩輸出增長(zhǎng)幅度在7%－40%之間。在20m/s風(fēng)速時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)可提高27%－31%不等，同時(shí)軸向推力系數(shù)與原型葉片相比變化不大。善風(fēng)電系統(tǒng)的控制理論與實(shí)踐有重要促進(jìn)作用。這些未來的研究方向主要包括在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

（1）風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的空氣動(dòng)力學(xué)理論模型研究?，F(xiàn)有的Mie型葉尖小翼空氣動(dòng)力學(xué)模型，基于多個(gè)假設(shè)條件對(duì)模型做了大量簡(jiǎn)化，并且只適用于一種小翼。將該理論模型應(yīng)用于其他類型的葉尖小翼時(shí)，部分理論分析結(jié)論與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比還存在很大偏差。另一方面，現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的氣動(dòng)力效應(yīng)分析，大多借鑒飛行器翼梢小翼平動(dòng)狀態(tài)的分析經(jīng)驗(yàn)。而對(duì)于風(fēng)電機(jī)組葉輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，以及在風(fēng)電機(jī)組偏航、變槳以及葉片承載變形狀態(tài)下，更加復(fù)雜空氣渦流場(chǎng)中葉尖小翼的動(dòng)力及功效分析成果還非常有限。

（2）風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化方法研究。以往的研究成果表明，一方面，葉尖小翼的形狀參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片功率系數(shù)影響很大，另一方面，風(fēng)電機(jī)組的尖速比也對(duì)小翼的動(dòng)力效應(yīng)有影響。因此，需要針對(duì)不同風(fēng)電機(jī)組的尖速比下的葉尖小翼參數(shù)做系統(tǒng)優(yōu)化，通過CFD建模分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)而得到葉尖小翼的系列功效型譜，為風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中的小翼選擇提供參考依據(jù)。

（3）風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼自適應(yīng)可變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。既然需要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源具體情況與風(fēng)電機(jī)組葉型，以及運(yùn)行特性（尖速比設(shè)置）來優(yōu)化配置葉尖附加裝置，那么基于最優(yōu)葉片功率系數(shù)的自適應(yīng)、可變?nèi)~尖小翼結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)的必要性顯得尤為重要。其中還要綜合考慮葉尖小翼產(chǎn)生的附加質(zhì)量、離心力和氣動(dòng)力對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，以及葉尖小翼機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性、可靠性和壽命等因素的影響。

結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼提效技術(shù)展望

目前，風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼提效技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用仍處于初級(jí)階段。雖然已取得大量關(guān)于風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的CFD數(shù)值分析與基于模型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但基礎(chǔ)理論研究與風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用實(shí)踐方面，特別是針對(duì)MW級(jí)以上變槳風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用實(shí)踐方面，仍有一些亟待解決的科學(xué)問題，這些問題指示了風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼的未來研究與應(yīng)用的方向，對(duì)于進(jìn)一步提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率，對(duì)完

受固定翼飛行器采用的提高升力、降低阻力的翼尖小翼啟發(fā)，葉尖小翼在風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)中逐步得到關(guān)注?，F(xiàn)有研究成果表明，風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼能夠有效的降低誘導(dǎo)阻力，增大風(fēng)電機(jī)組葉片上的表面壓差，加大風(fēng)在葉片上的作用力，提高葉輪風(fēng)能利用系數(shù)，進(jìn)而提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率。本文對(duì)國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組葉尖小翼提效技術(shù)研究成果進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了進(jìn)一步的研究與技術(shù)發(fā)展方向，為風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)以及已運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的提效改造提供了參考。