風(fēng)電機組氣動設(shè)計中的若干問題探討

圖1 3葉片風(fēng)電機組功率系數(shù)與設(shè)計葉尖速比的關(guān)系

圖2 不同設(shè)計葉尖速比的葉片弦長分布

　　當(dāng)設(shè)計葉尖速比提高時，葉尖速度也會增加，噪聲就會隨之增加。通常認(rèn)為噪聲強度與設(shè)計葉尖速比的5 次方成正比。鑒于此，一般認(rèn)為風(fēng)電機組的葉尖速度不能超過某一最大速度，例如78m/s，故存在一個最佳運行的最高風(fēng)速vopt=78/λD，在vopt 與額定風(fēng)速vr 之間風(fēng)輪運行在非設(shè)計點。
　　設(shè)計葉尖速比對葉片弦長有很大的影響。在相同風(fēng)輪直徑的條件下，設(shè)計葉尖速比大，弦長小；反之，設(shè)計葉尖速比小，葉片弦長寬。對于大功率的風(fēng)電機組而言，葉片弦長過寬會給葉片運輸和制造等帶來困難，同時可能會增加風(fēng)輪的重量載荷。圖2 顯示的是在升力系數(shù)為1.1 的單翼型葉片設(shè)計中，設(shè)計葉尖速比取5.91 和7 時的弦長分布對比。從圖中可以看出，設(shè)計葉尖速比為5.91 的葉片弦長偏大，在葉片半徑17.5m 以內(nèi)的葉片弦長都超過了4m，給運輸帶來了困難，需要修正的葉根處甚至接近葉片長度的1/2; 同時弦長過寬葉片成本也會增加。而設(shè)計葉尖速比為7的葉片弦長要小很多。因此，對于較大風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機組，設(shè)計葉尖速比不能選得過低。
　　2.2 多翼型設(shè)計
　　在風(fēng)電機組葉片設(shè)計中通常根據(jù)葉片截面的位置選擇不同的翼型，目的是在保證結(jié)構(gòu)強度的條件下獲得最佳的氣動性能。
　　考慮到強度要求，沿著葉片展向可選不同的翼型。葉尖處是葉片能獲取風(fēng)能最多的部位，故選擇升阻比高的薄翼型，同時翼型應(yīng)具備良性的失速特性、表面粗糙度靈敏度低、低噪聲的特點；中部選擇較厚且氣動性能優(yōu)良的翼型；在葉根處則要重點考慮強度及與輪轂的連接，故選擇更厚的翼型。
　　另外，要求葉片各個部位在幾何上要有連續(xù)性，在外形上不能出現(xiàn)突變。從葉尖到葉根，所選擇的翼型應(yīng)從具有一定彎度到彎度為零單調(diào)變化，厚度也應(yīng)單調(diào)增加，彎度位置單調(diào)變化，最大厚度位置保持30%左右到50%的增加。同時，設(shè)計點處的翼型攻角不能相差太大。這些要求的目的是保證葉片在幾何上的連續(xù)性，并為葉片的加工制造創(chuàng)造便利條件。
　　失速后的翼型氣動數(shù)據(jù)較為缺乏。文獻[8] 對Gedser200kW 風(fēng)電機組的實測數(shù)據(jù)與利用Viterna-Corrigan 失速后模型的計算數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果吻合較好。失速后的翼型氣動特性數(shù)據(jù)可以通過Viterna-Corrigan 失速后模型來獲得。該模型定義為：當(dāng)時