大功率风力发电机叶片设计研究

文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—４０２Ｘ（２００７）１２—００７２—０５
０引言
叶片是现代升力型风力机最重要的核心部件， 设计优良的叶片是使风力发电机获得最大风能利用 系数和良好经济效益的基础。大型风电机组的风机 叶片设计与制造是风电行业关键技术之一，但国内 目前大功率风机叶片的设计数据和制造技术还需要 从国外引进…，因此研究发展风力机叶片设计和制 造技术，已经成为我国开发风电技术最重要和迫切 的任务。
Ｉ—Ｉ、叶轮平面、Ⅱ一Ⅱ三个截面列出的伯努利方 程结合连续性方程和空气动力学的动量理论：
Ｔ＝ｍ（Ｖｌ—Ｖ２）＝ｐＡｙ（Ｖｏ—Ｖ２）
（１）
而气流推力：
脚Ａ＝｛ｐＡ（矿：一ｙ：）刁甜移（ｙｏ—ｙ２），可得秽＝ｙ＝
ｌ
去（Ｖ—ｙ：）称为轴向诱导系数。即在叶轮平面处，沿叶轮
转动轴线方向的速度系数。其中”为叶轮平面内的
２００７年第１２期
广东技术师范学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
大功率风力发电机叶片设计研究
屈圭１，２吴运新２
（１．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３；２．广东技术师范学院机电学院，广东广州５１０６３５）
摘 要：设计优良的叶片是使风力发电机获得最大风能利用系数和良好经济效益的基础。叶型的气动性能选
ｄＭ＝ＢｄＦｒｒ＝如ＷｚＢＣＣｗｄｒ
（１０）
从动量角度分析环素的推力和转矩。在转动过 程中处在半径ｒ的叶素始终与气流接触．因而由动量 定理可求得环素受到的推力。在环素面积为２＂ｎ＇ｒｄｒ 时。通过此面积气流的单位时间内质量流量为：ｍ＝
ｐａｖ＝ｐ２１ｒｒｄｒＶＪ（１－ａ），而ｙｌ—Ｖ２＝２ａＶｌ，所以，
ｄＴ＝ｍ（Ｖ广Ｖ２）＝４刀Ｉｐｒｙｌ２（１－ａ）ａｄｒ ·．‘【１）＝２０ｂ，．·．叶素转矩为：
（１１）
ｄＭ＝ｍｒ２【１）＝４７丁ｐｒ３ｙ１Ｑ（１－ａ）ｂｄｒ 由式（１１）和式（１２）及（８）得：
（１２）
万方数据
第１２期
屈圭吴运新：大功率风力发电机叶片设计研究
·７５·
（１３）
由上两式得：ａ（１－ａＴ）＝ｂ（１＋ｂ）入２
风电技术发达国家从２０世纪８０年代中期开始
收稿日期：２００６—０８—１２ 作者简介：）鼋圭（１９５７一），男，广东技术师范学院机电学院副教授。研究方向：机电一体化系统设计、风电技术。
万方数据
第１２期
屈圭吴运新：大功率风力发电机叶片设计研究
·７３·
研究风电机专用叶型，并发展了各自的叶型系列。目 前开发篦较成熟的有美国的ＳＥＲＩ程ＮＲＥＬ系列时 型．丹麦的ＲＩＳ‘ｐ—Ａ系列叶型，瑞典的ＦＦＡ—ＷＥ３］系列 等时型。资料显示。瑞典的ＦＦＡ—Ｗ系列叶型较为成 熟。ＦＦＡ—Ｗ叶型族有三个叶黧系歹｜ｌ，分别为ＦＦＡ～ Ｗ１、ＦＦＡ—Ｗ２和ＦＦＡ—Ｗ３系列叶型。其中ＦＦＡ—Ｗ３ 系列包括７静叶型。最大棚对厚度从１９．５％到 ３６．０％，为定浆距风力机设计，是三个叶登族中叶型 种类最多的一族。最大相对厚度为１９．５％和２２．１％的 鼹静叶型是参照ＮＡＣＡ６３—６∞系列时型中的薄Ⅱｔ型 设计的，可以用在风力机桨叶的靠叶尖部分。较厚的 几种叶型在给定的相对厚度下。比ＮＡＣＡ６３—６００系 列时型中的厚时型具有更好的气动性能。
２叶型的选择
叶片设诗中，首先要确定截嚣叶型，然后根据具 体叶型气动数据去计算叶片剖面的弦长和扭角，最 后再根据弦长和叶型几何数据去制造。由于大功率 风逛税时片很长。不髓位置有不弱豹气动要求，所以 理论上不同截面应该选择不同的叶型。因此必须研 究叶片沿展向的不同位置对叶片气动性能的不同要 求。｛翼究不同功率控麓方式对叶片气动性能的不黧 要求．使设计出的叶片气动性能和功率利用性能得 到优化。目前大型风机的功率控制方式主要分为失 速控裁黧变桨距控测鼹大类ｒ引。
好的变流适应能力，在湍流较多的风区和离风速区 工作时动载蓊相对较小。这类叶片的缺点是叶片本 身结构和制造工艺复杂，成本较高；启动性能差，叶 片承受气动推力大；随着机型功率的增大叶片加长。 使时片酶雕度减弱，动态失速性能不易控麓。
２．２变浆距叶片的叶型选择 变桨距叶片可以相对轮毂改变桨距角。大功率 风机叶片的主动变桨，涵电动机带动变粱装置，随着 风速的变化，在控制信号作用下驱动叶片绕叶片轴 线转动一定角度。通过调节叶片的桨距角薅改变来 流攻角。从而有效地改变风力视的气动转矩，达到风 力机功率输出的最优值。 在设计中必须使叶片能够跟隧不同风速下气流 对叶片的最佳攻角，从起动风速到额定风速的全部 运行风速范围内，风电机都能以较高的Ｃ，值运行。在 舄渤时。可将叶片桨距角调整到该风速下最大转矩 的角度。使风电机获得足够的怒动力矩，实现低风速 启动。当风速大于额定风速时，通过调节桨距角改变 气流的攻角，保持风力帆输出功率稳定在额定功率。 同时。低风速时减小叶片的转动遵度，在运行时保持 最佳叶片尖速比以获得最多风能：高风速时利用风 轮转速的变化。储存或释放部分熊量，使功率输出更 加平稳。所以，从优化叶片气动性能的角度来看，发 展变桨距叶片风力机是一种必然的选择。 在具体设计中，可以选择统一叶型方寨。如选 用气动特性优良的ＮＡＣＡ、ＤＵ系列叶型，作为设计 叶型，优化弦长和扭角。，对大功率叶片也可采取组 合叶型设计方案。基＃游叶片分为根部，中郝和尖部 三部分。根据叶片气动性能和力学结构对不同部位 的要求来分别设计叶片的不同部位，在三部分设计 中分别确定叶型，分别计算弦长和扭焦，在摇接部 位确定过渡段。实现平滑连接。近期的大功率叶片 仅中部就选用不同叶型进行组合设计，使叶片的功 率穰爰性髓褥瑟进一步貔仡。这群设计岗憋叶片可 以作为一个整体进行浆距控制，使变桨距控制的特 点更加突出。 采爝变桨距技术豹风力撬可以通过改变桨距角 获得更低的启动风速．更好的制动性能．具有更高的 风能利用系数，更高的额定功率和功率输出平稳等 优点。但是也蟊稳一些阚题。如兆瓦级风力枧静叶片 质量和转动惯量大，叶片的变桨机械结构较为复杂， 系统动态响应时闻，调节装置寿命及维护成本等方 面的闷题需要进一步研究解决。
风速。则，口＝（１－ａ）Ｖ。；Ｖ：（１－２ａ）Ｖｏ，这就可以得到作
用在风机叶轮上的功率用阳推力丁：
Ｐ－ＡｐＡｖ＝２ｐｏ（１－ａ）２Ｖ３４＝÷础＇，３０ＣＰ
（３）
二
７’－△ｐ４＝—寺中４ ｙ２０ｃＴ
（４）
其中ｐ：空气密度；４：叶轮扫风面积；Ｖ，＝ｙ。：叶轮
上游自由风速：其中
功率系数：Ｃ，＝似１一由２
（５）
２．１定桨距叶片的叶型选择 失速控制类风电机中，应用最多的是定桨距叶 片。定桨距是指叶片与轮毂雕性联接，当来流风速较 大时，利用叶片的失速特性进行功率控制。其原理 是：由于气流在叶片上的分离区域随实际攻角增大 丽增大。分离区志形成大的涡流，流动失去叶型效 应，与气流未分离时相比，上下翼面压力差减少，使 阻力增加，升力减小，叶片处于失速状态而达到功 率控麓窝酌。因此在额定风速时，叶片的大部分截箍 要处于大攻角临界流动分离状态下工作，这就对掌 握叶型的失速性能提出了更离要求。综合上述叶片 气动特性分析结果和定粱距时片的气动要求，在大 功率定桨距叶片设计中应优先选择风电机专用叶 裂．虫ＮＦＦＡ—Ｗ叶型系列。如果选择航空叶型则应优 选ＮＡＣＡ等系列叶篓中失速性能优异的１１｝鍪。 定桨距叶片在应用中的最大优点是安装控制结 构简便，运行可靠。因不需要变距机构与服伺控制系 统．所以故障少，维护篙便：对瓣变气流不敏感，有较
择和新叶型的应用是当前大功率叶片设计研究的重要内容。目前，风电机领域使用的叶片叶型主要有两大类。一
类是选用低速航空叶型，另一类是风电机专用叶型。大功率定桨距叶片设计中应优先选择风电机专用叶型，变桨
距叶片选用气动特性优良的ＮＡＣＡ、ＤＵ系列叶型。叶片设计中，首先要确定截面叶型，然后根据具体叶型气动数据
目前，风电机领域使用的叶片叶型主要有两大 类。一类是选用低速航空叶型，另一类是风电机专用 叶型。
普通航空叶型是为航空飞行器设计的。其空气 动力学性能在二十世纪初就得到了充分的研究，形 成了多种叶型族和数据手册。风电机叶片设计初期， 在航空叶型中经过对比筛选，确定了其中几种低速 叶型作为风机叶片使用叶型。根据对国内外风电机 叶片的统计，大功率风力发电机组风机叶片采用的 叶型主要有：ＮＡＣＡ系列、ＤＵ系列叶型、ＦＸ系列叶型 和Ｓ系列叶型。
大功率风机叶片设计受风电机功率、风场条件、 电机类型、功率控制方式等一系列因素的制约，当叶 片直径达上百米，风轮效率和叶片的结构强度对气 动载荷的分布更加敏感，是风电机设计中的难点。因 此，叶片设计的任务就是开发高效叶型、选择有效的 风轮气动计算方法、确定合理的叶片参数，从而保证 能量转换效率、减小轴向载荷、提高启动力矩。其中 叶片叶型设计和结构设计是在风能转换理论的指导 下对叶片参数进行优化和工程实现的过程。目前工 程上采用的大功率风机叶片设计理论主要有葛络沃 （Ｇｌａｕｅｒｔ）和韦尔逊（Ｗｉｌｌｓｏｎ）理论［２］。Ｇｌａｕｅｒｔ理论从二 维流动全面考虑了气流轴向干扰因子和切向干扰因 子的影响．Ｗｉｌｌｓｏｎ方法在Ｇｌａｕｅｒｔ方法的基础上引入
推力系数：ｇ＝４ａ（１一曲
（６）
３．２叶素理论
为建立叶片截面几何参数与气动能量之间的关
系，如图２：将叶片沿翼展方向划分成微元长度的段， 此即为叶素。风力机叶片由有限个叶片微元——叶
索沿径向叠加而成，因而风轮的气动特性可以由这
◆、、、、 一．。＠ｊ．ｊ
一
々拳∽㈡黪一
｜ｌ：∥｜ ｏ ｏ
，．｜＼一。．丁，、∥
去计算叶片剖面的弦长和扭角，最后再根据弦长和叶型几何数据去制造。从动量理论、叶素理论、动量矩理论出
发，以Ｗｊ］］Ｓ０ｎ叶片设计方法为基础，综合考虑叶片损失和升阻比对叶片性能的影响，建立了大功率风力发电
机叶片优化设计的数学模型，并给出计算过程。
关键词：风力发电：风力机：叶片；Ｗｉｌｓｏｎ方法
中图分类号：ＴＭ ６１４
。