風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)控制技術(shù)淺析

　　基于材料的彎扭耦合設(shè)計(jì)的原理如圖2-2所示。利用纖維增強(qiáng)材料的各向異性，在葉片的上下翼面作“鏡像”鋪層，纖維方向與葉片軸向呈一定夾角。這樣葉片彎曲時(shí)，上下翼面纖維中的拉/壓力將形成同一方向的剪力分量，在翼剖面形成扭矩以致產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。基于外形的彎扭耦合設(shè)計(jì)指的是一種后掠葉片設(shè)計(jì)，原理如圖2-3所示。葉片外形軸線逐漸偏離變槳軸線（指向與葉片旋轉(zhuǎn)方向相反），當(dāng)揮舞方向氣動(dòng)載荷作用于葉片上時(shí)，將產(chǎn)生相對(duì)變槳軸線的扭矩使翼剖面順槳。這種后掠葉片設(shè)計(jì)常見(jiàn)GE、西門子等公司的葉片中。

　　圖2-2傳統(tǒng)葉片和彎扭耦合葉片設(shè)計(jì)（來(lái)自：Verelst，2009）

　　圖2-3后掠葉片概念(來(lái)自:Larwood/Zuteck, 2006)

　　2.3 渦流發(fā)生器（VG）

　　渦流發(fā)生器（VortexGenerator，簡(jiǎn)稱VG）自1947年首次被美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司（UAC）的Taylor和Bmynes提出以來(lái)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、船舶等與流體相關(guān)的領(lǐng)域。VG實(shí)際上是以某一安裝角垂直地安裝在翼型表面的的小展弦比機(jī)翼，在迎風(fēng)氣流中和常規(guī)翼型一樣可以產(chǎn)生翼尖渦，由于其展弦比小，翼尖渦強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。這種高能量的翼尖渦與下游的邊界層流動(dòng)混合后，把能量傳遞給邊界層，使出于逆壓梯度中的邊界層流場(chǎng)獲得能量后能夠繼續(xù)附著在翼型表面從而達(dá)到延遲分離的效果，圖2-4展示了VG的原理。

　　圖2-4 VG的工作原理(來(lái)自S.Xue, 2010)

　　1980年代，VG開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片中，用以控制流動(dòng)分離。當(dāng)前大型變速變槳控制風(fēng)力機(jī)葉片的翼型設(shè)計(jì)工作點(diǎn)均處于較大升力系數(shù)處，即2翼型工作于接近失速的攻角下。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而功率未達(dá)到滿發(fā)狀態(tài)時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，葉尖速比減小，葉片截面的攻角增加。而由于風(fēng)輪面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)線速度遠(yuǎn)低于葉尖，葉根區(qū)域的攻角大于葉尖，葉根區(qū)域?qū)⑾扔谌~尖區(qū)域失速。因此葉根（葉根長(zhǎng)度30%以內(nèi)區(qū)域）有控制流動(dòng)分離的需求。圖2-5為VG應(yīng)用于葉片上的原理簡(jiǎn)圖。目前VG已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外很多廠家的葉片上得到應(yīng)用，Smart Blade公司長(zhǎng)期從事葉片新技術(shù)的研究和應(yīng)用，稱目前的應(yīng)用有效的抑制了葉根部的流動(dòng)分離，提高年發(fā)電量2~3%左右。