定桨叶片空气动力性能优化研究及应用

定桨叶片空气动力性能优化研究及应用

郭庆烨

（黑龙江省华富电力投资有限公司黑龙江哈尔滨150090）

摘要：当前由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电作为一种清洁能源和可再生能源而受到全球性的广泛关注和高度重视。风力发电机组空气动能的利用情况跟桨叶的制造工艺有着直接相连的关系，对发电量有着极其重要的影响。一般对叶片的要求有：（1）比重轻且具有最佳的抗疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；（2）叶片的弹性、旋转时的惯性较好，振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；（3）耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好，发电成本较低，维护费用最低。

1项目简介及改造必要性

穆棱风电场采用机型为NORDEX公司生产的定桨距失速型风机，属于早期产品，叶片由NORDEX在国内的合资企业生产，但技术未进行转让产品质量存在缺陷，导致风场所有风机在在运行一段时间后，都出现了故障率升高、机组出力严重下降的问题。本项目以穆棱风场N60/1300风力发电机定桨距叶尖为研究对象，力图通过合理的研究和优化改造，摆脱了对国外生产商产品的过分依赖，以最为经济的方式，消除叶尖过重缺陷导致的叶尖收不到位、叶尖导向轴转轴、导向轴拔出、钢丝绳断裂、液压缸损坏、液压缸支架损坏、制动盒开焊等系统故障等问题；同时优化风机的功率曲线，提高风机效率，达到增加发电量的目的。

N60/1300型定桨距风机桨叶系统故障率降低后，缩短了不必要的停机维护时间，节约维修成本；同时，机组发电量也得到较大幅度的提升，对国内其它风场的同类机型具有不错的借鉴和推广意义。

2技术改造理论基础

2.1定桨距失速型风机工作原理

定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨距角不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。

当风速超过额定值时，叶片根部叶面先总是进入失速，随着风速进一步增加，失速部分向叶尖处扩展，原先已失速部分失速程度加深，未失速部分逐渐进入失速区。在此过程中，失速部分使功率减小，未失速部分功率仍在增加，从而使风机的输入功率保持在额定功率附近。失速调节型风机的优点是失速调节简单可靠，风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节，而无需作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重量大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。

2.2空气动力刹车

叶尖扰流器形式的空气动力刹车，是目前定桨距风力发电机组设计中普遍采用的一种刹车形式。与变桨距系统不同，它主要是限制风轮的转速，并不能使风轮完全停止转动，而是使其转速限定在允许的范围内。这种空气动力刹车系统一般采用失效-安全型设计原则，即在风力发电机组的控制系统和安全系统正常工作时，空气动力刹车系统才可以恢复到机组正常运行位置，机组可正常投入运行；一旦风力机组的控制系统和安全系统出现故障，则空气动力刹车系统立即启动，使机组安全停机。

当风力发电机组处于运行状态时，叶尖扰流器作为桨叶的一部分起吸收风能的作用，如图（a）。克服叶尖重力和离心力，保持这种状态的动力是风力发电机组中的液压系统，液压系统提供的液压油通过旋转接头进入安装在桨叶根部的液压缸，压缩叶尖扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体联为一体；当风力发电机需要停机时，液压系统释放液压油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计的轨迹转过90度，成为阻尼板，在空气阻力下起制动作用，如图（b）。

2.3N60型风机问题原因分析及优化方案设想

N60属于定桨机型，结合产品频发的叶尖故障，风力机功率曲线下降的原因可初步判断为：由于叶尖角度和位置的变化，致使随着风速提高，本应最后失速的叶尖部分提前时速，从而导致了整个叶片在高风速期间的过早失速——这也与上一节理论分析相吻合。叶尖故障的诱因分析如下：

对于带有副翼定桨距失速型风机来讲，由于机组常年处于复杂的外部环境中，随着风机运行时间的加长，副翼反复操作。尤其在气动刹车时，副翼需要承受多方位的巨大载荷，其机械结构、液压系统等会受到冲击，故障率也会逐年增加，对于定桨距机组应随着使用年限的增加逐渐缩短保养周期。

除了离心力外，定桨距风机叶片还承受各方面的风载荷，叶尖前缘部分出现磨损后也会导致叶片阻力系数和俯仰力矩系数的变大，由此可能会导致叶片在变桨轴上有较大的弯矩载荷，从而出现销轴卡死、滑槽损伤等现象，最终导致叶尖归位不畅。

因此，对本次优化方案提出以下初步设想：

1）优先考虑通过精简零部件、采用新工艺，降低叶尖重量，并改善叶尖部分的连接，以保证在风机正常运行时，叶尖方向时刻与叶片保持一致，避免出现因叶尖未收到位或不回收所造成的制动效果，影响机组的出力；

2）考虑到机组老化等其它因素导致的机组出力衰减，除恢复叶尖的良好运行状态外，还应该辅以适当的空气动力学手段提高风机捕获的机械功率。从上一节的理论介绍中可知，涡流发生器的正常稳定运行，可推迟气流与叶片分离时的风速，提高失速点，进而优化机组在高风速下的效率；

3）减小叶片节距角。适当减小节距角，可以提高机组在低风速下的风能利用效率，从而提高系统的发电量。

3优化方案及实施

通过提出假设——模型验证的方法，认为通过对叶尖减重、修复前缘及涡流发生器、调整叶片节距角等可解决机组功率曲线的下降，

措施一：通过先进工艺重新制造叶尖，在减轻叶尖重量的同时达到与桨叶的无缝连接；

措施二：改进原钢丝绳、液压缸、横梁设计，将液压缸油管出油嘴处横截面积适当减小，增大油阻，从而降低叶尖收放速度，减小叶尖收放时对制动机构、钢丝绳、液压缸支架等零组件的冲击能量，使叶尖与桨叶整体收拢，修复叶缘及涡流发生器使风的受力更大化，更换部分失速条恢复风机的功率曲线，调整桨叶节距角使出力最大化。

具体方案包括如下四点：

1）更换叶尖，使叶尖减重；

a调整叶尖铺层，在满足叶尖轻度、刚度、稳定性的前提下适当改变叶尖铺层，从而达到降低叶尖重量的效果；b成型方式由手糊成型改为真空吸注成型，在降低叶尖重量的同时也提高了叶尖的强度；c通过试合模实验调整叶尖梁与上、下叶尖壳体的合摸间隙，粘接时严格控制结构胶用量，在保证粘接区域不空胶的前提下尽量减少结构用量

2）修复叶缘及涡流发生器；

对桨叶前缘进行修复，对涡流发生器进行重新固定，以达到最佳效果。

3）调节桨叶节距角。

4优化改造的成果

4.1改造前后功率曲线对比

功率曲线是风机出力性能最直观的体现，其它条件一定的情况下，功率曲线越优，发电量越高，经济性越好。在满足风机承载的前提下，追求更大的输出功率是风电场所追求的目标。

根据选择两台风机4#、7#机组的功率曲线如下图所示：

优化前后7#风机实测功率曲线

从以上图中可以看出，4#、7#、机位机组改造前及改造后的切出风速都没有达到机组设计切出风速25m/s（根据穆棱风场统计，机组并未遇到此大风情况），但改造后功率曲线得到明显优化，4#、7#机组基本能达到满发状态。

对4#机组，改造后低风速段到中风速段（4m~14m风速）功率曲线优于改造前，但是改造前中高风速区间（13m以上风速）的功率曲线缺失，因此无法评判中高风速区间的改造效果，但改造后的功率曲线符合于标准值。

对7#机组，改造前后低风速区间功率曲线差异不大，改造后中高风速区间（7m~17m风速）的功率曲线优于改造前功率曲线，改造效果较为理想。

4.2优化改造前后发电量对比

根据风频瑞利分布公式可计算各风速的风频，公式如下：

由于考虑年均风速是个变化值，具有不确定的因素，因此将不同年均风速下的发电量及有效小时数进行统计，统计结果如下所示。

不同年均风速下机组发电量对比（可利用率100%，不考虑限电）

由以上分析可知，在当地年均风速为6m/s~7m/s时，改造后机组理论发电量比改造前有了大幅的提升，此处改造包括修复前缘、修复失速条、叶尖桨叶复位等，改造效果显著。

4.3改造前后故障情况及机组可利用率的对比

从穆棱风场提供的叶尖故障统计情况来看，机组故障减少，其需更换的备品备件也减少，减少了机组维护费用。同时从机组可利用率来看，4#及7#机组可利用率提高比例为3.1%；但从改造前叶尖故障形式来看，多是液压系统和横梁出现问题，此两处部件出现故障的原因多是由于疲劳形式的破坏，因此需要对改造后的叶尖故障情况及机组可利用率的情况进行长期的观察。

改造改善了机组的功率曲线，同时也增加了机组的可利用率，从4#机位和7#机的具体情况来看，改造后机组的可利用率提高了3.1%，，而功率曲线的改善使机组理论发电量增幅达13%以上，因此机组理论发电量的提高主要归功于功率曲线的改善。

结束语

本研究针对N60型定桨失速型风机进行了优化改造，改善了因风机设计缺陷而导致的故障频发问题，降低了故障发生几率，节省了运维成本，提高了机组的可利用率；提高了风力机组的运行效率，改善了风机的运行状况，大幅提高了系统发电量；同时，通过认真的研究以及合理的技术创新，摆脱了对国外生产商产品的过分依赖，避免了大范围更换机组零部件，降低了改造的成本，具有可观的经济效益。另外，风机故障率的大幅降低，也减轻了员工的运维负担，减少了高空作业次数，对提高风场运维的安全性存在着积极地作用。由于改造效果理想，经过现场调研及考证，决定下一阶段将改造方案推广应用到场中另外7台风机中。

参考文献：

[1]张松.垂直轴风力机气动特性及变桨规律研究[D].哈尔滨工程大学，2014.

[2]梁迎彬.直翼竖轴风力机构型与变桨控制研究[D].哈尔滨工程大学，2015