華子深，王 前，鐘 婷，周圣蘭

(蘇州大學(xué)文正學(xué)院，蘇州 215104)

0 引言

風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，其是由太陽輻射熱引起的。太陽光照射到地球表面，地球表面各處因受熱不同，產(chǎn)生溫差，引起大氣對流運(yùn)動，從而形成風(fēng)[1]。隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在世界范圍內(nèi)受到了越來越多的關(guān)注，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展與風(fēng)電機(jī)組性能的提升息息相關(guān)，而葉片是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一[2-3]，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行的決定性因素。風(fēng)電機(jī)組通過葉片捕獲風(fēng)能，因此，葉片的風(fēng)能利用率會直接影響風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。理想狀況下，風(fēng)電機(jī)組葉片利用風(fēng)能的極限稱為貝茲極限，即風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，但目前的風(fēng)能利用系數(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到該值。因此，提高葉片的風(fēng)能利用系數(shù)一直是風(fēng)電機(jī)組研究中的重點(diǎn)[4]。

中國對于風(fēng)電機(jī)組的研究大多是以大型風(fēng)電機(jī)組為主，針對小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的研究相對較少。相較于大型風(fēng)電機(jī)組，小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組具有占地面積小、成本低、低風(fēng)速條件下可較好地輸出功率等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)光互補(bǔ)路燈、城市景觀和作為學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)器材等方面有較為廣泛的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值?；诖耍疚耐ㄟ^多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺，針對小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的葉片優(yōu)化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以期為該類風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)臺介紹

實(shí)驗(yàn)臺使用杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn)的型號為HZDH DH-WP-1的多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺，主要由風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)源、導(dǎo)軌、風(fēng)速儀、電壓表和電流表組成，具體如圖1所示。其中：風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑為269 mm，葉片采用三葉片，輪轂高度為153.5 mm；風(fēng)源采用型號為YWF4E-250、功率為50 W、風(fēng)量為1250 m3/h、轉(zhuǎn)速為1450 r/min、風(fēng)壓為60 Pa的風(fēng)扇；風(fēng)速儀的量程范圍為0～45 m/s，精準(zhǔn)度為±3%，解析度為0.1 m/s。

圖1 多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺的組成Fig. 1 Composition of multifunctional wind power test bench

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在風(fēng)電機(jī)組葉片翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵問題是應(yīng)通過優(yōu)化葉片翼型及葉輪形狀來滿足最佳設(shè)計(jì)要求，而不是通過選擇每一個截面最佳的葉片翼型氣動特性來達(dá)到最可靠的動力輸出[5]。選擇合適的葉片翼型可以有效提高小尺寸低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和穩(wěn)定性。本文從NACA-63系列翼型中選取了一個較適宜低風(fēng)速工況的翼型作為葉片的原始翼型，并在此基礎(chǔ)上對葉片進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)葉素－動量定理，對于一個葉片數(shù)為N、葉片半徑為R、葉片槳距角為β、葉素弦長為c的風(fēng)電機(jī)組，作用在風(fēng)輪平面半徑r處長度為dr的葉素上的轉(zhuǎn)矩dM可表示為：

式中：ρ為空氣密度；ω為相對速度；Ct為切向力系數(shù)。

由式(1)可知，作用在風(fēng)輪平面葉素上的轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪平面半徑及葉素弦長成正比。相較于拉長其他翼型截面的弦長，適當(dāng)拉長葉尖的弦長，可以更顯著地增加轉(zhuǎn)矩，從而提高葉片的性能。

雖然葉尖的弦長對葉片的整體性能具有顯著影響，但由于大型風(fēng)電機(jī)組的葉片長度相對較長，其轉(zhuǎn)動時的離心力較大，考慮到葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，在葉片實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，葉尖弦長相對于其他翼型截面的弦長仍較短；而對于小尺寸低風(fēng)速的風(fēng)電機(jī)組而言，即使適當(dāng)拉長葉尖的弦長也可以很容易滿足葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

為了提高葉片性能，本研究拉長了葉尖弦長，但為了保證葉片面積不變，相應(yīng)地縮短了葉根弦長，由此得到優(yōu)化后的葉片。在保證葉片面積不變的情況下，通過改變?nèi)~尖和葉根的弦長，分析葉尖弦長的長度對葉片風(fēng)能利用率的影響。

借助Excel軟件，將葉片截面各點(diǎn)的坐標(biāo)錄入SolidWorks軟件中，利用SolidWorks軟件調(diào)整坐標(biāo)點(diǎn)后，分別建立了原始葉片和優(yōu)化后葉片的3D模型，分別如圖2、圖3所示。其中，原始葉片的葉尖弦長為13.50 mm，葉根弦長為33.75 mm；優(yōu)化后葉片的葉尖弦長和葉根弦長均為23.66 mm。

圖2 原始葉片的3D模型Fig. 2 3D model of original blade

圖3 優(yōu)化后葉片的3D模型Fig. 3 3D model of optimized blade

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用UP軟件，借助3D打印機(jī)分別打印出原始葉片和優(yōu)化后葉片，然后使用多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺對分別采用2種葉片時風(fēng)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行測試；然后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理后，利用Origin軟件作圖，得到不同葉片槳距角下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機(jī)組的輸出功率對比，具體如圖4所示。

圖4 不同葉片槳距角下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機(jī)組的輸出功率對比Fig. 4 Comparison of wind turbine power output at different blade pitch angles when using original blades and optimized blades respectively

從圖4可以看出：在風(fēng)速為5.43 m/s的工況下，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用原始葉片時，其在葉片槳距角為14°時的輸出功率比其在葉片槳距角為18°時的輸出功率提高了146%；而當(dāng)風(fēng)電機(jī)組采用優(yōu)化后葉片時，其在葉片槳距角為14°時的輸出功率比其在葉片槳距角為18°時的輸出功率提高了180%。由此可知，當(dāng)風(fēng)速在4.83～5.43 m/s范圍內(nèi)時，隨著葉片槳距角的減小，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率得到提高。因此，在葉片沒有失速的工況下，適當(dāng)減小風(fēng)電機(jī)組的葉片槳距角，可以較顯著地提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

在葉片槳距角為14°的工況下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機(jī)組的輸出功率對比如圖5所示。

圖5 在葉片槳距角為14°的工況下，分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片時風(fēng)電機(jī)組的輸出功率對比Fig. 5 Comparison of wind turbine power output at the blade pitch angle of 14° when using original blades and optimized blades respectively

從圖5可以看出：當(dāng)葉片槳距角為14°時，在風(fēng)速為5.43 m/s的工況下，風(fēng)電機(jī)組采用優(yōu)化后葉片時的輸出功率比其采用原始葉片時的輸出功率提高了82%。

4 結(jié)論

本文選用NACA-63系列中較適宜低風(fēng)速工況的翼型作為葉片原始翼型，并在此基礎(chǔ)上對葉片的葉尖和葉根弦長進(jìn)行了調(diào)整，得到了優(yōu)化后的葉片；然后對分別采用原始葉片和優(yōu)化后葉片的風(fēng)電機(jī)組輸出功率進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示：在風(fēng)速為5.43 m/s的情況下，當(dāng)葉片槳距角為14°時，風(fēng)電機(jī)組采用優(yōu)化后葉片時的輸出功率比其采用原始葉片時的輸出功率提高了82%。