引言：葉片作為實現(xiàn)風力發(fā)電機組風能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，對機組的整體性能影響很大，而其外形氣動設計一直是葉片設計的焦點。

翼型作為葉片基本氣動外形設計的基礎，對葉片的空氣動力特性和質(zhì)量分布有著重要的影響。翼型較高的升阻比能更大提高風機捕風效率, 進而提高風機的輸出功率。葉片自下而上的扭轉(zhuǎn)角度和翼型類型、翼型厚度等因素影響著葉片表面升力系數(shù)和阻力系數(shù)的分布趨勢（如圖1、圖2）。經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)：在不同氣流攻角和氣流速度大小在葉片外表面前緣區(qū)域或者/和后緣區(qū)域可能產(chǎn)生氣流一定程度上的分離以及在葉尖部分存在著渦以螺旋狀向下游發(fā)展的現(xiàn)象。

在已有的研究基礎，結(jié)合已經(jīng)實際投入運行的風力發(fā)電機組葉片，本文討論了一些改善葉片表面流動（包括葉尖流動）以及增加葉片有效長度的方法。

改善葉片表面流動方法

在本節(jié)將就如何改善葉片表面流動情況加以介紹：

前緣附近渦流發(fā)生器（VG）

在一般情況下，葉片表面的氣流能夠很好地形成附著無分離流動，在物面上的邊界層和翼型后緣的尾跡區(qū)很薄，如圖3中左側(cè)圖所示。但是受攻角、葉片翼型彎度和厚度等等因素的影響，氣流在前緣附近就發(fā)生不同程度的分離狀態(tài)，如圖3中右側(cè)圖所示。

1947年Taylor 等［1］首先提出了渦流發(fā)生器的概念，可以用于翼型附面層流動控制。國內(nèi)外專家學者采用數(shù)值分析、風洞實驗等方法對渦流發(fā)生器用于附面層流動控制、翼型、失速型風力發(fā)電機組葉片表面流動控制等方面開展了研究和應用［2-4］。

渦流發(fā)生器（VortexGenerator，簡稱VG）幾何形狀、布局位置及方式等因素對翼型氣動特性的都有影響，它布置在葉片的吸力面上，一般與前緣的距離約在15%到30%弦長處，它的用途主要是延緩在前緣附件的分離流動的產(chǎn)生，在某種程度上提升升力系數(shù)和增加阻力系數(shù)，所以采用渦流發(fā)生器需要根據(jù)翼型外形、攻角進行優(yōu)化布置。圖4顯示的是已加裝了渦流發(fā)生器的葉片。

文獻[3]還以長山頭風電場運行的66臺S50/750定槳距失速型機組為例，在靠近葉片根部的前緣端加裝了渦流發(fā)生器，通過此裝置的加裝提高了翼型的升阻比，延緩了此類型風電機組的失速點，提高了機組在風速8m/s到15m/s之間的發(fā)電功率。

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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生一個細長的尾流區(qū)，內(nèi)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(nèi)，受粘性的影響，使得襟翼之后形成穩(wěn)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(qū)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(fā)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(chǎn)生和發(fā)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(nèi)外圈翼型選型設計時，內(nèi)圈即靠近葉根的部分內(nèi)部區(qū)域主要是以結(jié)構(gòu)特性設計為主，而在外圈靠近葉尖的區(qū)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?shù)?、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(fā)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(nèi)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(fā)電量的辦法。

     結(jié)論：

     本文針對國內(nèi)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(jié)論：

（1）葉片翼型的前緣和后緣加裝渦流發(fā)生器和格林襟翼，如果安裝位置、高度和角度等參數(shù)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(chǎn)生和發(fā)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；

（4）前述的技改辦法不僅僅是簡單的加裝裝置或者改變氣動外形的形狀，還有大量的計算和測試工作需要做：如需要對葉片計算模型中的參數(shù)進行修正，整機載荷要進行再一次的校核，葉片及關(guān)鍵部位相關(guān)的強度校核，現(xiàn)場的噪音、載荷測試，整機的坎貝爾圖分析等方面的工作。

參考文獻：

[1]Taylor H D，et al． Elimination of Diffuser Separation byVortex Generators． United Aircraft Corporation Report，No R-4012-3，1947

[2] 郝禮書，喬志德，宋文萍，渦流發(fā)生器布局方式對翼型失速流動控制效果影響的實驗研究，西北工業(yè)大學學報，Vol.29 No.4，2011

[3] 曹瑞，加裝葉片渦流發(fā)生器提高失速型定槳距風機風電效率的研究，寧夏電力，2009年增刊

[4] 劉小民，黨群等，渦流發(fā)生器在流體機械流動控制中應用研究進展，流體機械，Vol.35 No.3，2007

[5] KENTFIELD J A C, CLAVELLE E J. The Flow Physics of the Gurney FlapsDevices for Improving Turbine Blade Performance, Wind Engineering， Vol.17, No.1, 1993

[6] 江學忠，葉枝全，葉大均，二維葉片襟翼增生的試驗研究，工程熱物理學報，Vol.19, No.2, 1998

[7] 趙萬里，劉沛清等，Gurney襟翼對風力機流動控制的數(shù)值研究，電網(wǎng)與清潔能源，Vol.27，No.9，2011

[8]張智羽，帶小翼的風力機葉片氣動性能數(shù)值模擬及其優(yōu)化，碩士論文，內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2006

作者簡介：童彤，男，工學博士，高級工程師，從事于風電機組開發(fā)設計、市場推廣、技術(shù)改造和質(zhì)量管理等方面的工作。