風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題探討

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

圖2 不同設(shè)計(jì)葉尖速比的葉片弦長(zhǎng)分布

　　當(dāng)設(shè)計(jì)葉尖速比提高時(shí)，葉尖速度也會(huì)增加，噪聲就會(huì)隨之增加。通常認(rèn)為噪聲強(qiáng)度與設(shè)計(jì)葉尖速比的5 次方成正比。鑒于此，一般認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的葉尖速度不能超過(guò)某一最大速度，例如78m/s，故存在一個(gè)最佳運(yùn)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(yùn)行在非設(shè)計(jì)點(diǎn)。
　　設(shè)計(jì)葉尖速比對(duì)葉片弦長(zhǎng)有很大的影響。在相同風(fēng)輪直徑的條件下，設(shè)計(jì)葉尖速比大，弦長(zhǎng)小；反之，設(shè)計(jì)葉尖速比小，葉片弦長(zhǎng)寬。對(duì)于大功率的風(fēng)電機(jī)組而言，葉片弦長(zhǎng)過(guò)寬會(huì)給葉片運(yùn)輸和制造等帶來(lái)困難，同時(shí)可能會(huì)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(jì)中，設(shè)計(jì)葉尖速比取5.91 和7 時(shí)的弦長(zhǎng)分布對(duì)比。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)葉尖速比為5.91 的葉片弦長(zhǎng)偏大，在葉片半徑17.5m 以內(nèi)的葉片弦長(zhǎng)都超過(guò)了4m，給運(yùn)輸帶來(lái)了困難，需要修正的葉根處甚至接近葉片長(zhǎng)度的1/2; 同時(shí)弦長(zhǎng)過(guò)寬葉片成本也會(huì)增加。而設(shè)計(jì)葉尖速比為7的葉片弦長(zhǎng)要小很多。因此，對(duì)于較大風(fēng)輪直徑的風(fēng)電機(jī)組，設(shè)計(jì)葉尖速比不能選得過(guò)低。
　　2.2 多翼型設(shè)計(jì)
　　在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)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(qiáng)度的條件下獲得最佳的氣動(dòng)性能。
　　考慮到強(qiáng)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(shí)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(diǎn)；中部選擇較厚且氣動(dòng)性能優(yōu)良的翼型；在葉根處則要重點(diǎn)考慮強(qiáng)度及與輪轂的連接，故選擇更厚的翼型。
　　另外，要求葉片各個(gè)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(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)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(dòng)數(shù)據(jù)較為缺乏。文獻(xiàn)[8] 對(duì)Gedser200kW 風(fēng)電機(jī)組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與利用Viterna-Corrigan 失速后模型的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合較好。失速后的翼型氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)可以通過(guò)Viterna-Corrigan 失速后模型來(lái)獲得。該模型定義為：當(dāng)時(shí)