水电之家讯：引言
风力发电是获得清洁、可再生能源的主要技术形式之一。近年来,国内外的风电产业发展很快,对相关的设计技术提出了更高的要求。由于风电叶片是实现风能转换的重要环节,对机组的整体性能影响很大,有关的设计方法始终是研究的热点。
翼型作为叶片外形设计的基础,对叶片的空气动力特性和质量有重要的影响。目前风电叶片设计一般以低速飞机的航空翼型为基础,并进行必要的改型。但由此带来的叶片结构与其气动性能矛盾突出,已成为大型风电叶片设计过程中亟待解决的关键问题之一。为设计出更长的叶片,需要研究解决上述问题的方法,以有效提高叶片设计质量、降低叶片成本,为开发更大功率的风力发电机组提供技术支持。
1风电叶片应用航空翼型的局限性
低速航空翼型一般具有较好的气动性能,因而在风电叶片设计中得到了广泛的应用。但由于这些翼型的雷诺数相对较高且厚弦比较小,往往难以在大型风电叶片的根部区域直接应用,需要考虑并解决以下问题:
(1)大型风电叶片的雷诺数普遍较低,特别是在叶片与轮毂连接的区域,若直接采用适用于高雷诺数的航空翼型则很容易发生气流分离,造成气动力的显着损失和叶片失速,导致叶片载荷增大。
(2)为满足叶片与轮毂连接的区域结构和强度的要求,必须加大这部分截面翼型的厚度,但相应的翼型弦长也会加大,可能超出风电叶片允许的范围。
(3)对于变桨矩控制的风电机组,叶片与轮毂联结结构要求叶片根部呈圆筒状外形,使气动性能与结构设计的矛盾更加突出。
为解决这些问题,迄今风电叶片多采取对航空翼型截头去尾的改型设计方法。此方法虽能满足叶片结构设计的需要,但对其气动性能的影响却比较大。简单地削除原有翼型的前缘和后缘,可能会破坏叶片上、下表面的完整性,造成翼型表面部分升力丢失,导致翼型气动性能显着降低。
2钝后缘翼型的分析
211 钝后缘翼型
钝后缘翼型是针对大型风电叶片根部区域低雷诺数、高结构强度的要求,对低速航空翼型的一种改型设计。其基本方法是以原翼型的前缘为铰点,按一定相对弦长厚度比分开后缘。
212 钝后缘翼型的结构和气动特性
图1所示TR-35-10型风电叶片翼型,是一种以TR-35型尖后缘航空翼型为基础,通过钝后缘方法增加10%厚度的改进翼型。
(1)钝后缘翼型的基本结构特性
对于给定厚度的翼型,钝后缘翼型可以增加叶片的截面面积和惯性矩,从而使其抗弯和抗扭性能得到提高。
图1后缘削平的TR-35-10翼型
(2)空气动力特性
钝后缘翼型可以增加其截面的最大升力系数和升力曲线斜率,因而对降低翼型的污染敏感度有利。
考虑到吸力面的气流速度将随翼型厚度增加,同时相应的压力减小;而在翼型后缘区域的气流会减速,剩余的动能若不足以抵抗强烈的逆压梯度,将导致气流在翼型后缘可能提前分离,损失部分升力。钝后缘翼型采取以其前缘为铰点增加后缘厚度的方法,可以在增加翼型最大厚度的同时,相应地降低气流通过截面最厚点后的逆压梯度,从而能推迟或避免气流的分离,并在后缘的后端形成一个与边界层自适应的尖后缘,使气流一直附着在翼型表面,改善其气动性能。
图2钝后缘对翼型气动性能的影响
通过以上讨论可知,从空气动力学角度看,TR-35-10采用的钝后缘翼型设计方法不仅能够提高翼型的最大升力系数,同时也可以降低对叶面污染的敏感性，因此,以钝后缘翼型作为对低速航空翼型改进设计的基础,是改善风电叶片结构与气动特性的一种可行方法。
3叶片的翼型分布
鉴于大型风电叶片长达数十米,翼型厚度的增加势必会对叶片质量、载荷分布和制造成本产生较大影响。因此,简单地采取沿叶片长度均匀增大翼型厚度的改型设计方法显然不尽合理,需要进一步研究沿叶片展向翼型的分布问题。
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