【VGs技術】Giving old blades new lift

 

　　修復受侵蝕的葉片

　　Roper Partner研發中心的Chris Bley認為：“前緣侵蝕是導致翼型性能下降的最大問題，當你能從地面上看到葉片發生了侵蝕時，葉片性能往往已經受到比較大的影響了。”侵蝕能夠穿透表面漆深入到玻璃纖維材料里面，當嚴重到能在遠處看出來的話，就已經不是簡單修復能夠解決的問題了。Bley說，近距離觀察能看到葉片表面有許多細小的裂縫和分層，這在地面上是看不出來的，在寒冷的天氣里，水會滲進這些裂縫然后結冰，使之進一步擴大，因此防止葉片發生嚴重問題的關鍵在于及早發現表面問題并及時修復。

　　維護的第一步

　　“維護公司應該能夠識別問題并提出解決方案，使性能能夠有預期的提升，” Rob Kamisky說，“我們咨詢公司會幫助業主尋找出性能下降的可能。”同時也可能需要Rob的團隊對葉片進行檢查，看葉片的狀態有沒有問題，一旦診斷完成，就可以提出一個解決方案。例如葉片需要加強、改進，或者就是用涂料、UD布等對葉片前緣進行修復和保護。

　　設備制造商可能會提供一些葉片改進方案，如Spoiler或者Dynofin，有人認為鋸齒狀邊緣可以改善氣流。 附圖顯示在葉根附近有一個鼓包或者鰭一樣的東西，這就是Spoiler，一些葉片制造商用這個來改善空氣動力特性，增加輸出功率。

　　

　　一種來自航空工業概念——渦流發生器（Vortexgenerators，VGs）能夠恢復葉片性能，受到了風力機行業的廣泛關注。VGs從1940年代開始得到應用，現代的客機機翼上依然能看到它的身影，有的看起來像小的矩形，沿著機翼的展向布置。當應用在風力機上的時候，總的來說渦流發生器能夠為風力機帶來更高的能量輸出。

　　在過去的20年里VGs一度被應用到風力機上并取得了不同程度的成功，能夠有效抑制流動分離。Kamisky解釋說氣流通常沿著翼型表面附著流動，但也會在某些點發生分離，并且分離后的流動狀況很難預測。渦流發生器通過帶動高能流動區域的能量進入邊界層內的低能區域，使流體能量重新分布、抑制了流動分離。Kamisky說這能夠減少由于氣流分離帶來的性能損失，“但是必須在安裝渦流發生器之前考慮其對風力機的載荷和性能影響”。

　　Bley的團隊有時會承擔為葉片安裝渦流發生器的任務，“我們負責安裝和維護VGs，比如有時候葉片上結的冰掉了，VGs也有可能跟著一起掉下來”他說。

　　RopePatner 與WINDprove這樣的公司合作， 后者在渦流發生器的設計以及位置確定方面研究得更深入。設計公司提供分析來指導如何提高翼型效率，他們知道渦流發生器該用多大的尺寸、設計外形及安裝位置，Rope Patner則以一個安全、快速、經濟的方式來實施安裝。Bley認為渦發生器的安裝位置很重要，并且一定要保證粘貼到位。但是由于葉片表面是曲面，并且沿展向前緣的曲率不同，這項工作也不容易。“這是一個相當大的挑戰，因為安裝位置的允許誤差相當小,”他說。安裝渦流發生器需要的時間取決于安裝的范圍，但通常情況下一天能夠裝兩只葉片。

　　R&D

　　盡管渦發生器在功率提升方面很有潛力，但還是需要謹慎對待。“渦流發生器仍然是一個研究型的項目，”加利福利亞大學機械和航天工程系主任Casevan Dam說，“渦流發生器很難在風力機上統一量化，因為它們的效果和機組的類型甚至安裝位置都有關系。” 葉片制造商LM公司宣稱渦流發生器能夠提高4%—6%，有一家業主已經在他的1.5兆瓦機組上安裝了許多渦流發生器，但是數據還在收集當中。“渦流發生器的實驗還是不能掉以輕心，”他說，“這可能會很耗時間，并且安裝位置的小小差別也可能顯著地影響其效果。”

　　VanDam和他的團隊也在和Sandia 國家實驗室一起進行先進葉片的設計，整個項目包含了風洞實驗和CFD模擬，因此Van Dam關注了不少葉片上的空氣動力學概念，例如渦流發生器、片條和格柵等等。他說現在工作人員的工作更加細致了，并不僅僅是往葉片上添加一些東西，而是先基于已經公開的數據進行分析，然后進行風洞實驗和CFD模擬。

　　VanDam認為將渦流發生器安裝到新的干凈葉片上需要謹慎，因為有可能會導致輸出功率的下降，但是如果葉片表面受到污染或侵蝕，氣動性能發生改變，惡化到發生流動分離，渦流發生器則是一個減少流動分離的簡單方法。

　　另外還關系到氣動噪聲的問題。“流動分離產生更多的噪聲，因此渦流發生器能夠降低噪聲，”Van Dam說，“不幸的是，行業里像西門子或者其他VGs用戶是基于什么樣的分析來指導這些改進的，他們對這些談論得很少，所以你只能撓撓頭問‘為什么他們裝這些？’一些公司裝上了，但是發現效果不明顯，就這么留在上面了，還迷惑了競爭對手。”

　　渦流發生器并不是唯一引起廣泛討論的概念，“大約一年以前每個人都在想給葉片加裝翼尖小翼，但后來就不怎么談了，”Van Dam說，“有時行業內的人看到了新概念時會想，‘好吧，如果競爭對手這么做，我們也得超過去。’” 他也看到了葉片翼型設計的變化——獲得更多的氣動性能的同時使翼型對污染和侵蝕不敏感。而當氣動性能顯著下降時，渦流發生器才能夠減輕性能損失。

　　渦發生器，并不是葉片設計領域的最后一個概念，智能葉片這個概念正在發展，裝著載荷傳感器和主動控制面、能夠在任何風速下最大限度的捕捉風能——這些也只是葉片團隊以后面臨的眾多挑戰之一。