張皓

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵零部件之一，其氣動(dòng)性能在很大程度上決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性。根據(jù)動(dòng)量-葉素理論，采用Wilson設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片氣動(dòng)布局，以獲得葉片氣動(dòng)數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，通過(guò)對(duì)葉片的氣動(dòng)性能分析驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。研究結(jié)果為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率、降低故障率提供了一定的理論基礎(chǔ)，也為工程實(shí)踐時(shí)葉片的選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；動(dòng)量-葉素理論；氣動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.122

大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，比如2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片需要從外形氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面入手分析，從2D和3D理論方面進(jìn)行研究。目前，對(duì)其的研究已經(jīng)形成了比較成熟的理論方法，比如基于葉素-動(dòng)量（BEM）理論的數(shù)學(xué)建模研究等?，F(xiàn)在分析的理論基本上是在實(shí)驗(yàn)室研究的，或是根據(jù)近似的經(jīng)驗(yàn)得出的理論數(shù)學(xué)模型。一般情況下，其適用是有一定前提條件的。因此，進(jìn)一步深入研究大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片外形氣動(dòng)方面的內(nèi)容，提煉出更加符合實(shí)際復(fù)雜情況的理論研究才是今后的主流發(fā)展方向。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片外形的數(shù)學(xué)建模

應(yīng)用動(dòng)量理論、葉素理論可得：

.式（2）（3）中：Nb為葉片數(shù)；r為翼型的葉素面距離葉根的位置；R為風(fēng)輪直徑；c為弦長(zhǎng)。

當(dāng)軸向誘導(dǎo)因子為0～0.4時(shí)，式（1）是比較可靠的。當(dāng)軸向因子大于0.4時(shí)，動(dòng)量-葉素理論不再適用。當(dāng)a>0.4時(shí)，式（1）為普朗特因子F=1時(shí)成立的表達(dá)式。當(dāng)普朗特因子F<1時(shí)，另外一個(gè)表達(dá)式為：

2 2 MW風(fēng)機(jī)葉片外形輪廓參數(shù)

要想設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片的外形輪廓，就需要得到葉片的翼型、尖速比、運(yùn)轉(zhuǎn)的額定功率，風(fēng)輪直徑，葉片的數(shù)量，葉片的弦長(zhǎng)和安裝角。本文根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況，以2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)需用的葉片進(jìn)行理論研究可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率P=2 MW，風(fēng)場(chǎng)當(dāng)?shù)刈匀坏念~定風(fēng)速v=12 m/s，設(shè)定風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.42.此時(shí)，選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電機(jī)效率和傳動(dòng)效率乘積為η1η2=0.9.

2.1 計(jì)算葉片的風(fēng)輪直接

式（5）中：P為額定功率，取2 MW；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；v為風(fēng)場(chǎng)當(dāng)?shù)刈匀坏念~定風(fēng)速，取12 m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，取0.42；η1η2為選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電機(jī)效率和傳動(dòng)效率乘積，取0.9；D為到葉根的距離。

將相關(guān)數(shù)值代入式（5）中得：D≈85 m。

2.2 葉片的尖速比和葉片數(shù)量

風(fēng)機(jī)葉片的尖速比是葉尖線速度與風(fēng)速之比。在葉片外形設(shè)計(jì)中，尖速比是非常重要的，可以根據(jù)它來(lái)選擇葉片的數(shù)量和實(shí)度。實(shí)度包括低實(shí)度和高實(shí)度2種，它們各有特點(diǎn)。低實(shí)度會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)寬平曲線，也就是說(shuō)，在一個(gè)很大的范圍內(nèi)，風(fēng)能利用的變化值不大，很穩(wěn)定；而高實(shí)度則是窄尖的曲線，變化非常大，非常敏感。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)自然環(huán)境和工程實(shí)踐應(yīng)用，選擇3個(gè)葉片，即產(chǎn)生最佳的實(shí)度，并且它的運(yùn)行和功率輸出與2個(gè)葉片相比更加平穩(wěn)，所以，本文取尖速比λ=7，Nb=3.

2.3 葉片翼型的選擇

根據(jù)風(fēng)機(jī)的功率，選用NREL系列翼型，葉根部分根據(jù)風(fēng)機(jī)的連接要求采用S818翼型和S825翼型，葉尖部分根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的自然環(huán)境要求采用S826翼型，葉根與葉尖之間根據(jù)所選的翼型采用線性插值進(jìn)行自然平滑的連接。

2.4 計(jì)算風(fēng)機(jī)和葉片連接的安裝角和自身弦長(zhǎng)

在選定的翼型基礎(chǔ)上，根據(jù)威爾遜設(shè)計(jì)方法對(duì)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的弦長(zhǎng)和扭角的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，使某一特定威布爾分布風(fēng)址下的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年平均發(fā)電量達(dá)到最大。使用該設(shè)計(jì)方法可以避免攻角與翼型升阻比有關(guān)的假設(shè)。它是獨(dú)立于翼型設(shè)計(jì)的葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，不需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算便可以大大降低計(jì)算成本，縮短時(shí)間成本。

3 2 MW風(fēng)機(jī)葉片建立三維模型

3.1 葉片各翼型空間坐標(biāo)的確定

需要計(jì)算的選定翼型弦上的離散點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）是以前緣為原點(diǎn)、弦線方向?yàn)閤軸，將坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成以壓力中心為原點(diǎn)、弦線方向?yàn)閤軸的坐標(biāo)（x1，y1），之后旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)得到了各離散點(diǎn)在實(shí)際空間坐標(biāo)的位置（x，y，z）。

所設(shè)計(jì)的葉片中每個(gè)葉素各離散點(diǎn)的坐標(biāo)為：

運(yùn)用翼型設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得到該翼型上下弦中各個(gè)離散點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），并把它轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的弦長(zhǎng)坐標(biāo)，即：

。

旋轉(zhuǎn)葉素得到各葉素離散點(diǎn)空間的實(shí)際坐標(biāo)（x，y，z），即：

.