后緣附近加裝格尼襟翼(GF)
受翼型彎度、厚度和攻角等因素的影響,在有些翼型后緣附近的氣流能夠產生一定程度的分離流動,造成升力曲線也會有所降低,如圖5所示。
為了控制翼型后緣的流動情況,國內外在上世紀末就開始了格林襟翼在風電機組上的應用性研究(如圖6后緣加裝了格林襟翼),并且取得了一些成果:文獻[5]對NACA0015、NACA0020等翼型加裝了不同高度格林襟翼進行試驗,證明了加裝格林襟翼的葉片后緣表面流動減少分離和提高效率確實是有明顯效果的。文獻[6-8]從試驗和計算角度證明了風電機組葉片加裝合適高度的襟翼能夠提高升阻比,提高機組的氣動性能。
圖7所示為不同襟翼高度下(右圖比左圖的襟翼高度相對要高)的翼型后緣的流動情況,在襟翼前方一個渦,在其后方產生一個細長的尾流區,內有兩個反向渦。襟翼的存在增加了翼型的后緣的曲率,導致翼型吸力面后緣附件的流線向下彎曲,增大了翼型彎度,使得升力增大。由于襟翼的高度很小,位于邊界層之內,受粘性的影響,使得襟翼之后形成穩定的分離泡,該分離泡對翼型的尾流有一個壓縮的作用,尾流區變小,進而阻力減小。
其它技改方法
除了以上論述在翼型的前緣和后緣加裝渦流發生器和格林襟翼有助于改善葉片的氣動性能的方法以外,目前還存在多種方法有益于改善的氣動性能,增加葉片的做功能力。如:
(1)葉片尖部由直葉尖改為上翻形式的葉尖(如圖8所示),此形狀有利于改善渦的產生和發展,提高葉片氣動性能和降低噪音。
(2)對葉片根部的圓柱端進行修型處理。葉片內外圈翼型選型設計時,內圈即靠近葉根的部分內部區域主要是以結構特性設計為主,而在外圈靠近葉尖的區域則是以氣動特性為主的翼型設計方案。為了增加葉片做功能力的有效長度并且使得機艙頭部導流罩部位的空氣流動自然繞流,在根部也有采用適當的、鈍后緣的翼型的方法,如圖9。應當注意這樣的葉根設計方法雖然增加了葉片做功能力但是無疑增加葉片本身的尤其是葉片根部的載荷,所以對葉根連接螺栓等部位的強度校核是必不可少的。
(3)機組的發電量與風輪的掃風面積成正比,即與風輪直徑的平方成正比,簡而易行的辦法就是加長葉片的長度。國內已有1.5MW機組的77機型采用直接換掉改為82機型的事例(直接將37.5米葉片更換為40.25米的葉片)。為了降低成本,圖10是采用了在葉片尖部加長來提高發電量的辦法。
結論
本文針對國內外已開展的幾種葉片技改辦法進行了闡述,從上述的闡述得出如下的結論:
(1)葉片翼型的前緣和后緣加裝渦流發生器和格林襟翼,如果安裝位置、高度和角度等參數大小選取合適,可以增加翼型的升阻比,改善表面的流動;
(2)葉片尖部形式的改變(類似加小翼)有利于改善葉片尖渦的產生和發展,提高葉片氣動系能;
(3)葉片根部適當延長的翼型和加長葉片都有助于增加葉片做功的有效長度,增加出力;