苗濤

摘要：本文簡單介紹了渦流發(fā)生器，以某風場為例，探究了葉片的氣動特性，以及加裝渦流發(fā)生器之后的葉片氣動特性，探究了在不同外形葉片上加裝渦流發(fā)生器之后的氣動性能對比。

關鍵詞：渦流發(fā)生器;風力發(fā)電機;葉片

前言

由于渦流發(fā)生器可以產(chǎn)生較高強度的葉尖渦，可以使翼型的氣動性能得到有效改善，所以被廣泛應用于航空界。伴隨相關研究人員對風力發(fā)電的進一步研究，業(yè)界也越來越重視在風電葉片上應用渦流發(fā)生器的探索。通過計算和研究相關的數(shù)據(jù)，確認要提升2%左右的葉片年發(fā)電，不僅與渦流發(fā)生器的安裝位置、分布密度、幾何形狀等參數(shù)有直接聯(lián)系之外，還和葉片自身的氣動性能關聯(lián)。因此，下文將針對渦流發(fā)生器在風里發(fā)電機組葉片上的應用展開分析探究。

1.渦流發(fā)生器簡析

渦流發(fā)生器可以有效使邊界層所分離的氣動附件得到抑制，在20世紀40年代就已經(jīng)應用到了渦流發(fā)生器，渦流發(fā)生器在現(xiàn)階段的航空領域也廣泛應用，而且應用和發(fā)展正慢慢成熟化。在風電葉片邊界層的分離控制中應用渦流發(fā)生器具有良好的效果，為使抑制流動分離得到實現(xiàn)，將葉片的輸出功率增加，需要在風電葉片葉根到葉中區(qū)域的吸力面安全渦流發(fā)生器[1]。風力機葉片性能會受到安裝渦流發(fā)生器的位置還有渦流發(fā)生器的形狀的影響，并且風力葉片機的出功要想得到增加，就要嚴格按照渦流發(fā)生器的安全標準和安裝條件來進行，確保連接葉片的強度達到相關的要求，同時還要選擇合適的渦流發(fā)生器材質(zhì)[2]。

優(yōu)化幾何特征的渦流發(fā)生器將通過開展風洞試驗來進行，并將在某個高海拔的風場機組葉片上安裝渦流發(fā)生器，然后針對安裝上渦流發(fā)生器的葉片展開評估，主要評估年發(fā)電量在安裝之前和之后的變化的，并且在評估結(jié)果中可以知道，要是只加裝渦流發(fā)生器之后不會有其他改變，可以提升4%左右的年發(fā)電量，要是調(diào)整控制整機的測量，還可以進一步提高2%左右的年發(fā)電量[3]。

2.某風場的葉片氣動特性

此風場的空氣密度不高，0.9kg/m3為實測值，空氣密度為1.236kg/m3的時候是設計狀態(tài)，葉片的額定風速在這種狀態(tài)的時候可以得到提升，葉片各切面攻角也會得到相應增加，在風速為10.8m/s左右的時候，葉片的狀態(tài)屬于停滯不增，達到額定的風速是在13m/s的時候，而葉片發(fā)電量損失嚴重在10.8—12m/s的風速區(qū)間段。

3.加裝渦流發(fā)生器在葉片之后的葉片氣動性能

有很多研究人員針對渦流發(fā)生器的幾何特征展開了數(shù)值模擬試驗，表面壓力的測試方法被Timmer等應用，其將渦流發(fā)生器加裝在大型風電葉片專用厚翼型DU97-W-300，并進行了相關的測試，經(jīng)過測試研究可以知道氣動特性在加裝渦流發(fā)生器之后有了變化，通過圖1可以知道，渦流發(fā)生器在葉片上得到加裝之后，失速攻角在很大程度上得到了延遲了，并且促使最大升力吸住提升，同時升阻比和翼型升力系數(shù)也有了變化，得到了相應提高，再次技術(shù)上阻力也有所增加。

3.1性能在加裝渦流發(fā)生器之前和之后的對比

以葉片發(fā)電量損失情況為基礎，為了確保翼型最大的升力系數(shù)得到有效增加，保證擴大升力系數(shù)的線性區(qū)間所具有的優(yōu)勢，同時合理的改善葉片的氣動性能，需要在葉片上粘貼設計好的渦流發(fā)生器。當葉片加裝了渦流發(fā)生器之后，圖2是曲線對比圖[4]。通過圖2可以知道，渦流發(fā)生器加裝完成之后，葉片在小尖速比大風速區(qū)域的Cp值增加較為明顯，Cp的范圍得到擴展，葉片對于大功角的敏感度有所降低，發(fā)電量得到增加。

3.2葉片在加裝渦流發(fā)生器前后的功率特性

加裝渦流發(fā)生器在該葉片之后，在一定程度上提高了葉片的功率，變化可以通過圖3看出，不同風速發(fā)電量的增加情況在圖4得到說明了，風值要是越高，那么增加值也隨之變化。

3.3加裝渦流發(fā)生器之前和之后的年發(fā)電量變化對比

不同機組的控制器要是沒有得到相應的調(diào)整，且調(diào)整不具備適當性，即使渦流發(fā)生器在加裝完成之后，不同風速所對應的年發(fā)電量會得到很大程度的提高。通過圖5可以知道，年平均風速從5.4m/s提升到11m/s的時候，明顯提升了40%以上的年發(fā)電量[5]。

針對機組控制策略進行完善與優(yōu)化，可以確保葉片在進入到功率不增的區(qū)域之前，變槳可提前進行，才能減小攻角，進而保證在線性區(qū)間可以有葉片翼型升力吸住進入，那么不增加功率的區(qū)域會消失。

4.對比不同外形葉片加裝渦流發(fā)生器之后的氣動性能

加裝渦流發(fā)生器在不同外形的葉片上，葉片增功的效果也會不一樣，葉片額定風速、葉片尖速比等相關的主要參數(shù)都會影響到葉片的提升效果，要是這些參數(shù)不一樣，那么就會造成葉片的運行要是處于較低的空氣密度下，那么翼型的攻角也會具有較大差異性。原有的翼行失速角在渦流發(fā)生器的作用下得到推遲，最大升力系數(shù)得到明顯提升，線性區(qū)間段的內(nèi)攻角越大，那么增功效果也就會越明顯，增功效果隨著內(nèi)攻角的變化而變化。

圖6、圖7、圖8分別列出了兩款機型在0.9kg/m3空氣密度時候相應的葉片的氣動性能參數(shù)。并且通過圖7可以看出，兩款葉片的尖速比都不一樣，額定風速也具有差異性，93機組葉片的翼型實際攻角相較于87機組的翼型實際攻角要大一些，所以，要是空氣密度較低的時候，93機組更容易有功率提升緩慢或者過渡區(qū)出現(xiàn)，但是87機組沒有過渡區(qū)出現(xiàn)。

從圖9可以看出，在加裝渦流發(fā)生器之后，有效提升了93機組葉片和87機組葉片的年發(fā)電量，但是在不同年平均風速之下，年發(fā)電量增加更多一些的是93機組葉片，93機組葉片與87機組的葉片相比較來說，增加了1%左右，主要由于在93機組葉片加裝渦流發(fā)生器位于翼型升力系數(shù)增加的的位置[6]。

此外，還分析了另外一個機組加裝渦流發(fā)生器前后的功率曲線對比，通過圖10可以知道，當來流風速低于12m/s的時候，對于機組發(fā)電功率的營銷不大，但是要是風速高于12m/s，那么渦流發(fā)生器的作用就會特別明顯。

結(jié)束語

上文針對渦流發(fā)生器，還有葉片的氣動特性，以及渦流發(fā)生器在得到加裝之后的葉片氣動特性和不同外形葉片加裝渦流發(fā)生器之后的氣動性能對比展開了相關的分析探究。我們可以知道，當額定風速在較低空氣密度的情況下，葉片適合加裝渦流發(fā)生器的類型有變槳葉片和定槳葉片。變槳葉片處于低空氣密度的時候，葉片的額定風速相較于設計工況，前者的額定風速要高一些，當額定風速附近有葉片的時候，會增加攻角，在完成渦流發(fā)生器的加裝之后，可在一定程度上避免葉片有失速問題出現(xiàn)，進而提高和增加年發(fā)電量。但是，要是葉片氣動性能達不到目標效果，轉(zhuǎn)速和風速不具備適應性，那么在此時葉片攻角會增大，為使葉片氣動性能得到改善，同時增加發(fā)電量，需要進行渦流發(fā)生器的加裝。而定槳葉片的額定風速較大，葉片的攻角也相對較大，為了使增功效果得到突出，并且將提增功效果提升，可以通過加裝渦流發(fā)生器來實現(xiàn)。此外，葉片的組成部分中也包括了渦流發(fā)生器，要是應用了渦流發(fā)生器，務必要同葉片一起使用終生，所以，在選擇渦流發(fā)生器材料的時候，以及安裝渦流發(fā)生器的時候，也必須要嚴格控制。

參考文獻

[1]吳映芳， 趙春妮， 張立新. 渦流發(fā)生器在風力發(fā)電機組葉片上的應用[J]. 天津科技， 45（09）：82-85.

[2]何政洋. 渦流發(fā)生器參數(shù)對風力機葉片氣動特性影響的數(shù)值模擬研究[D]. 重慶大學.

[3]薛丁云. 風電葉片及翼型安裝渦流發(fā)生器氣動特性實驗研究[D]. 中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）， 2016.

[4]鄒立偉， 魏敏， 宋之燕. 風力發(fā)電機組葉尖延長增效技術(shù)的經(jīng)濟性分析[J]. 風能（3）：80-82.

[5]趙磊， 房亞鵬. 一種應用了榫卯結(jié)構(gòu)的風電葉片渦流發(fā)生器：， CN205370867U[P].

[6]張華耀， 運鴻， 桑玉虎. 一種渦流發(fā)生器及安裝渦流發(fā)生器的風電葉片：， CN205478093U[P].