涡流发生器在风力发电机组叶片上的应用

吴映芳，赵春妮，张立新，朱英伟

(中科国风科技有限公司 天津300456)

0 引 言

涡流发生器(VG)是一种能够有效抑制边界层分离的气动附件，其应用可以追溯到20世纪40年代，如今它在航空领域已成熟应用。近来涡流发生器在风电叶片边界层分离控制中也取得很好的效果，将其安装于风电叶片叶根到叶中区域的吸力面，可实现抑制流动分离，增加叶片输出功率的目的。涡流发生器的形状、安装位置及分布密度是影响风力机叶片性能的关键因素，同时涡流发生器的材质、与叶片的连接强度以及准确的安装条件是增加风力机叶片出功的有效保障。本文采用通过风洞试验优化其几何特征后的涡流发生器，将其安装于某高海拔风场机组(93机组)叶片，并对加装涡流发生器前后叶片的年发电量进行评估，结果表明，仅仅加装涡流发生器而不做其他改变，年发电量可提升 4%左右，如对整机进行控制策略的调整，年发电量还可进一步提升2%左右。

1 某风场叶片的气动特性

该风场空气密度较低，实测值为 0.9kg/m3，而设计状态时的空气密度为 1.225kg/m3，这就导致叶片的额定风速提高，叶片各切面攻角增加，如图1所示，在风速 10.9m/s左右时，叶片的功率停滞不增，13m/s时才达到额定风速，10.9～13m/s风速区间段内叶片的发电量损失严重。

图1 不同空气密度下的功率分布图Fig.1 Power distribution versus different air densities

2 加装涡流发生器后叶片的气动性能

业界已经有很多学者对涡流发生器的几何特征开展了试验和数值模拟的研究。Timmer等[1]通过表面压力测试的方法，研究了大型风电叶片专用厚翼型DU97-W-300加装涡流发生器后气动特性的变化，如图 2所示。可以看出叶片加装涡流发生器可以推迟失速攻角，最大升力系数增加，提高升阻比，使翼型的升力系数从 1.55提高到 1.97，但是同时会增加阻力。郝礼书等[2]通过风洞试验研究了涡流发生器布局方式对翼型失速流动的控制效果。张进等[3-4]探究了涡流发生器抑制超临界翼型边界层分离的原理，提出了涡流发生器的主要作用是减小阻力。适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行流动控制，其最佳位置应在分离点前 2～5倍涡流发生器高度之间。行业内涡流发生器在定桨叶片上已成功应用，如 LM1.0MW 叶片加装涡流发生器后功率提高10%。

图2 涡流发生器对翼型DU97-W-300气动特性的影响Fig.2 Influence of vortex generator to aerodynamic performance of DU97-W-300

2.1 加装涡流发生器前后的性能对比

基于图1中叶片发电量损失的情况，现将设计好的涡流发生器粘贴在叶片上，旨在利用其能够提高翼型最大升力系数、扩大升力系数线性区间的优势改善叶片的气动性能。加装涡流发生器后叶片的λ-CP曲线对比如图 3所示。从图中可以看出，加装涡流发生器后叶片在小尖速比(大风速)区域的 CP值明显增加，即高 CP范围扩大，叶片对大功角的敏感度降低，发电量增加。

图3 加装涡流发生前后的λ-CP曲线对比Fig.3 Comparison of λ-CP curves before and after installing vortex generator

2.2 加装涡流发生器前后叶片的功率特性

加装涡流发生器后该叶片的功率明显提升，如图4所示，其不同风速的发电量增加如表1所示，风速越高增加值越大。

图4 加装涡流发生器前后的功率分布图Fig.4 Electrictity distribution before and after installing vortex generator

表1 加装涡流发生器前后的功率对比Tab.1 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

续表1Tab.1 Continued

2.3 加装涡流发生器前后的年发电量对比

如不对机组的控制器进行适当调整，那么加装涡流发生器后，不同风速对应的年发电量大幅提升，如图 5所示，年平均风速从 5.5m/s加大到 10m/s时，年发电量提升40%以上。

图5 加装涡流发生器前后的年发电量Fig.5 Comparison of annual power generationbefore and after installing vortex generator

如对 93机组的控制策略进行调整，使叶片在进入功率不增的区域前提前变桨，减小攻角，使叶片的翼型的升力系数进入线性区间，则功率不增区域消失。此种情况仍然没有加装涡流发生器的功率及年发电量高，如图6、7所示。

图6 加装涡流发生前后的电功率对比Fig.6 Comparison of electricity before and after installing vortex generator

图7 加装涡流发生器与机组提前变桨的年发电量对比Fig.7 Comparison of annual power generation to installing vortex generator and pitching in advance of wind turbine

3 不同外形叶片加装涡流发生器后气动性能对比

不同外形的叶片加装涡流发生器后叶片的增功效果有所不同，影响其提升效果的主要参数包括叶片的尖速比、叶片的额定风速，这些参数的不同会导致叶片在较低空气密度下运行时翼型的攻角大不相同。涡流发生器使原有翼型的失速攻角推迟，最大升力系数增加，即在线性区间段内攻角越大，增功效果越明显(可参见图2)。

表2和图8、9分别列出了空气密度为0.9kg/m3时两款机型对应叶片的气动性能参数。从表2可以看出，两款叶片的尖速比相差较大，额定风速也有所不同，93机组叶片的翼型实际攻角比87机组大，因此，较低空气密度时，93机组更容易出现功率提升缓慢(或不增)的一个过渡区(图 9)，而 87机组未出现此过渡区(图8)。

表2 87机组和93机组叶片参数对比Tab.2 Comparison of blade parameter on 87 and 93 wind turbine

图8 87机组叶片加装涡流发生器前后功率分布图Fig.8 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 87 wind turbine

图9 93机组叶片加装涡流发生器前后功率分布图Fig.9 Electricity distribution before and after installing vortex generator on 93 wind turbine

从图 10可以看出，87机组和 93机组叶片在加装涡流发生器后年发电量都有所提升，不同年平均风速下，93机组叶片的年发电增加更多，比 87机组叶片增加约 1%。这是因为 93机组叶片加装涡流发生器位置处翼型的升力系数增加更多。

图10 87和93机组叶片加装涡流发生器后发电量提升分布Fig.10 Increasing annual power production distribution before and after installing vortex generator on 93 and wind turbine

4 结 论

通过以上讨论分析可以看出，较低空气密度下叶片额定风速越大，加装涡流发生器后的增功效果越明显，适合加装涡流发生器的叶片有如下几种情况:①变桨叶片。低空气密度下，叶片的额定风速比设计工况高，在额定风速附近叶片的攻角增大，加装涡流发生器后可避免叶片失速，增加年发电量。叶片气动性能不佳，风速和转速不能匹配时，叶片的攻角增大，加装涡流发生器有助于改善叶片的气动性能，增加发电量。②定桨叶片。定桨叶片的额定风速较大，叶片的攻角较大，可以加装涡流发生器，增功效果显著。

需要补充的一点是涡流发生器作为叶片的一部分，一旦被应用将陪伴叶片使用终身，它的选材及安装方式的可靠性也是值得关注和推敲的。