【技术】风电机组叶片气动控制技术浅析

   2015-11-27 《风能》2550
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  六、锯齿后缘
  随着风电机组安装越来越靠近居住区,风电机组噪声问题越来越受到重视。Oerlemans 和Mendez-Lopez 对Gamesa 公司的G58 机组进行了运行噪声的测量,分析得出:
  (1)风电机组的主要噪声来自于叶尖70% -95% 区域(叶尖噪声已通过优化的叶尖外形和反向扭角得到控制);(2)叶片的噪声主要来自后缘噪声。
  根据飞机引擎降噪的经验,Howe 于1991 年提出了锯齿后缘降低叶片后缘噪声的传播理论。后缘锯齿会使流动在后缘处形成一列反向旋转的涡对,改变了尾涡结构,减弱了下游尾迹区的展向相关性,减小了噪声的远场辐射。随后大量的理论研究及实际应用表明该技术可以显著降低叶片的气动噪声。目前锯齿后缘设计已普遍应用于风电机组叶片中,图7 为其在西门子叶片上的应用实例。
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  七、叶尖小翼
  叶片旋转运动时,由于压力差导致压力面气流绕过叶尖端面流入吸力面,既破坏了叶尖二维流动情况,同时会产生叶尖涡,这是造成叶尖噪声、叶片效率减小、疲劳载荷增加的主要原因之一。借鉴飞机机翼解决翼尖涡的经验,一种类似翼梢的叶尖小翼被应用到风电机组叶片中。加装小翼,可以重整通过叶尖流场的气流,有效地降低叶尖处诱导阻力,减少叶尖能量损失,从而提高原有风电机组的功率输出。这种叶尖小翼设计与大弦长叶根一样几乎成为Enercon 公司风电机组叶片的标志(如图8 所示),然而也有越来越多的其他风电机组制造商开始采用这种技术。
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  主动控制技术
  主动控制技术是指通过对风速、风向、叶片入流角及叶片表面气流等因素的主动控制,实现控制风电机组载荷及气动性能的目的。现代风电机组中应用最广泛的主动控制方法是主动偏航和变桨。本文主要介绍对叶片表面流动的主动控制技术,目前这方面技术的研究有很多,大体可分为通过改变剖面形状和通过表面吹/ 吸气的方式进行气动特性的控制。
  一、改变剖面形状
  在飞机机翼中,通过后缘襟翼的收放来增大或减小翼型中弧线弧度,可以影响翼型的升力曲线。很多国外研究机构或企业对襟翼在叶片中的应用进行了深入研究,Vestas 公司与丹麦科技大学一起在其V27 机组的叶片上安装了0.7m 长的后缘襟翼,通过在试验风场的运行测试表明可降低叶根部挥舞弯矩14% 。然而这种传统的襟翼机构存在一些制约其应该到风电机组叶片的因素,其中最主要的一点是叶片在运行过程中挥舞方向的变形很大,而连接襟翼与叶片主体的铰链系统很难与其协调,另外复杂的结构也给制造和维护带来不便。图9 为一种带后缘襟翼控制叶片的机组。
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  Van Dam 基于Gurney 襟翼研究了一种可主动平移的后缘小板结构,这种小板分别安装于翼型上下翼面,可以根据不同工况需要调节小板的平移量影响翼型气动特性。通过CFD 计算和风洞试验的方法对这套系统进行了深入的研究,并用气弹分析工具分析它能显著降低叶片疲劳载荷。这种小板结构简单且在叶片展向分散安装,因此有实际应用在叶片上的可能,图10 为这种后缘小板结构的示意图。
 
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