前缘保护膜对风电叶片翼型气动性能的影响研究

文|毛晓娥，李成良，任旺

叶片是风力发电机组的主要部件之一，其气动性能直接影响着风力发电机组的发电效率。由于叶片长期运行在恶劣的环境中，前缘极易出现腐蚀。随着海上风电逐步发展，运行环境更为恶劣，叶片前缘更易发生腐蚀，这会导致叶片升力下降、阻力增加，进而使叶片气动性能下降，影响发电性能。如果叶片前缘腐蚀得不到及时处理，随着时间的推移腐蚀程度加剧，发电量不断降低，最终会给风电运营商带来巨大的经济损失。

为了保护叶片前缘，提高其使用寿命，应采取一定的保护措施，目前常用的两种方法为涂装前缘保护漆与粘贴前缘保护膜。前缘保护膜有一定的厚度，在完成涂装的叶片前缘粘贴保护膜，会改变叶片截面外形轮廓，进而改变截面翼型形状，从而影响叶片的气动性能。

因不同厚度与宽度的前缘保护膜对叶片截面轮廓的影响不同，即对转化成标准翼型后的气动性能影响也不同。本文将分别对目前常用前缘保护膜的厚度、宽度对翼型气动性能的影响进行研究，以期找出厚度、宽度对翼型性能的影响规律。

图1 转换后的截面标准翼型几何外形

前缘保护膜粘贴模拟

本文选取一款约60米长度的叶片进行研究。为了研究前缘保护膜对叶片气动性能的影响，对叶片进行粘贴前缘保护膜模拟，然后将截面轮廓转化为标准翼型进行气动性能计算。本文仅对相对厚度18%与21%翼型截面粘贴前缘保护膜后的性能进行计算分析。18%与21%相对厚度处的叶片截面转化成标准翼型后的几何外形如图1所示。

前缘保护膜宽度对翼型的影响

在本节确定前缘保护膜厚度为0.36mm，选取152mm、254mm、305mm三种宽度进行计算分析。计算采用了ECN针对风电机组翼型专门开发的程序RFoil。该程序在XFoil的基础上对边界层方程进行了修正，并考虑了由于旋转导致的三维径向流动效应，对失速后性能的预测更加准确，广泛用于风电机组翼型的气动特性计算，并得到了大量验证。

一、对气动性能的影响

升力系数、阻力系数、升阻比是评价翼型性能的基本指标。图2与图3所示分别为18%和21%厚度翼型在不同前缘保护膜宽度下的升力系数、阻力系数、升阻比性能对比。

对于18%相对厚度翼型，由图2（a）可知，前缘保护膜宽度对翼型阻力系数的影响比升力系数大，进一步导致了升阻比的变化。随着前缘保护膜宽度的增加，在一定的攻角范围内，阻力系数减小，但比没有前缘保护膜翼型的阻力大；升力系数增加，但比没有前缘保护膜翼型的升力系数小。由图2（b）可知，最大升阻比随着前缘保护膜宽度的增加而增加，且大于没有前缘保护膜翼型的最大升阻比。

对于21%相对厚度翼型，由图3（a）可知，前缘保护膜宽度对翼型阻力系数的影响比升力系数大。在一定的攻角范围内，宽度305mm的阻力系数较宽度254mm的小，宽度152mm的阻力系数最小，但均比没有前缘保护膜翼型的阻力大；宽度305mm的升力系数比宽度254mm的大，宽度152mm的升力系数最大，但均比没有前缘保护膜翼型的升力系数小。由图3（b）可知，宽度152mm的最大升阻比较宽度254mm的大，宽度305mm的最大。

二、对边界层参数影响

翼型边界层参数主要包含压力系数、摩擦力系数、边界层位移厚度（以dst表示）、边界层动量损失厚度（以tet表示）、H（dst与tet比值）。图4与图5所示分别为18%和21%厚度翼型在不同前缘保护膜宽度下对边界层参数影响情况的对比。

从图4（a）－（d）均可看出，当X/c在0.1～0.2范围附近时，每种宽度下前缘保护膜对应翼型的边界层参数曲线均有波动，波动位置为前缘保护膜粘贴结束的位置，可见该位置为发生转捩的位置。前缘保护膜宽度为152mm、254mm、305mm时，转捩位置X/c分别为0.09、0.16、0.21。

从图4（a）（纵坐标轴上半部分表示吸力面，下半部分表示压力面）可以看出，吸力面在X/c为0.09、0.16、0.21时有小的跳跃，压力面在X/c为0.56时发生跳跃，这是由于转捩的发生，流动由层流向湍流过渡的结果。

图2 前缘保护膜宽度对18%相对厚度翼型气动性能影响

图3 前缘保护膜宽度对21%相对厚度翼型气动性能影响

图4 前缘保护膜宽度对18%相对厚度翼型边界层参数影响

从图4（b）可以看出，在前缘保护膜的结束位置发生了转捩，这使得壁面剪应力减小，但并未减小到0，因此没有流动分离产生。

从图4（c）可以看出，在后缘附近，吸力侧由于正压力梯度增加导致位移厚度增加，压力侧由于压力梯度减小导致位移厚度减小。

从图4（d）可以看出，X/c在0.1～0.2范围附近时，三种宽度前缘保护膜对应的H曲线均有波动，进一步说明了在波动位置有强制转捩点的存在。

从图5（a）－（d）均可看出，当X/c在0～0.2范围附近、前缘保护膜宽度为152mm、254mm、305mm时，由于强制转捩点的存在，前缘保护膜对应翼型的边界层参数曲线均有波动，波动位置X/c分别为0.06、0.11、0.13。

前缘保护膜厚度对翼型的影响

在本节确定前缘保护膜宽度为254mm，厚度选取0.36mm与1mm两种规格进行计算分析。

一、对气动性能的影响

图6与图7所示分别为18%和21%厚度翼型在不同前缘保护膜厚度下的升力系数、阻力系数、升阻比性能对比。

对于18%相对厚度翼型，在前缘保护膜宽度一定时，由图6（a）可知，在一定的攻角范围内，随着前缘保护膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且对阻力影响较大。由图6（b）可知，随着前缘保护膜厚度的增加，最大升阻比降低，且最大升阻比对应的攻角减小。

图5 前缘保护膜宽度对21%相对厚度翼型边界层参数影响

图6 前缘保护膜厚度对18%相对厚度翼型气动性能影响

图7 前缘保护膜厚度对21%相对厚度翼型气动性能影响

对于21%相对厚度翼型，在前缘保护膜宽度一定时，由图7（a）可知，在一定的攻角范围内，随着前缘保护膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且对阻力影响较大。由图7（b）可知，随着前缘保护膜厚度的增加，最大升阻比降低。

二、对边界层参数影响

图8与图9所示分别为18%和21%厚度翼型在不同前缘保护膜厚度下边界层参数的对比。

从图8（a）－（d）均可看出，当X/c在0.16附近时，由于强制转捩点的存在，边界层参数曲线均有波动，由于前缘保护膜宽度相同而厚度不同，导致发生转捩的位置相同，而对边界层参数的影响不同。

从图9（a）－（d）均可看出，当X/c在0.10附近时，由于强制转捩点的存在，边界层参数曲线均有波动，由于前缘保护膜宽度相同而厚度不同，导致发生转捩的位置相同，而对边界层参数的影响不同。

总结

本文通过对叶片粘贴不同宽度和不同厚度的前缘保护膜进行模拟，再将粘贴有前缘保护膜的叶片截面轮廓转化为标准翼型进行气动性能计算。分析18%和21%相对厚度翼型的气动性能与边界层参数计算结果，可得如下结论：

（1）在前缘保护膜厚度一定时，前缘保护膜宽度对翼型气动性能的影响较小。

（2）在前缘保护膜宽度一定时，前缘保护膜厚度对翼型气动性能的影响较大。

（3）通过翼型边界层参数可知，在前缘保护膜边缘位置发生了固定转捩。