基于相似理论的1.5MW 风力发电机叶片模型的设计

陈松利 李 明 万大千

（内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特010018）

随着气候条件的恶化和洁净能源开发和利用，促进了风力发电行业的迅速发展,甘肃、新疆及内蒙古中西部地区是我国风资源最丰富的地区之一，我国大型风电场主要分布在这些区域，这些地区也是沙尘暴高能活动区域，风力发电机叶片在风沙环境中运行时会受到挟沙风的冲蚀，导致前缘涂层遭受破坏，难以保持良好的气动外形，影响发电量，并且降低了叶片使用寿命，同时也增加了叶片的维护成本[1-2]。

因此，其研究主要集中在对风沙环境中对叶片的冲蚀问题。为了全面掌握大风机叶片在风沙环境中冲蚀磨损情况及对翼型气动性能变化规律和机理，需要设计大型风力机叶片相似模型，进行测试试验，为开发适合高风沙恶劣环境下叶片翼型设计提供一定依据。

1 相似理论

由流体力学相似原理可知，当几何相似和物理相似均可满足的条件下，两个流动的若干无量纲数只要对应相等，则可保证二者相似[3-5]。

风力发电机实验模型叶轮与原型机组相似是指在模型机叶轮试验过程中，当空气流经模型叶轮时与原型机叶轮流动相似，其空气的能量传递过程与原型机也相似。

2 风力机相似条件

风力机相似条件的推导，先做如下假设：

V1、V1m——风力机实物与模型前方来流风速；

V2、V2m——风力机实物与模型的下游风速；

V、Vm——风力机实物与模型的风速；

U1、U1m——风力机实物与相似模型叶片叶尖处的圆周速度；

U、Um——风力机实物与相似模型叶片某半径处的圆周速度。

如果实物和模型相似，则存在以下关系式：

由上式可得出：

设r 为风力机实物任意半径；rm为模型任意半径；I 风力机实物任意半径处叶素的倾角；Im为模型任意半径处叶素的倾角，则：

而

根据式（4）（5）（6）则有：

式（1）（2）（7）说明：

（1）相似模型和原型机风轮各对应出的叶素倾角相等；

（2）如果忽略叶素表面粗糙度的影响和雷诺数的影响，则实物和模型的叶片升力系数和阻力系数也相等。

（3）相似模型与实物叶片具有方向相同，大小对应成比例的受力条件。

3 1.5MW 叶片模型设计

3.1 相似模型

由于目前风电场服役的主流机型以1.5MW 发电机组为主，因此，本次研究对象原型为1.5MW 机组，对该机组叶片进行风沙环境下冲蚀磨损试验。

由于叶片外形尺寸限制，根据目前现有的实验条件很难实现，因此，设计并加工一个与1.5MW 叶片具有气动外形相似、结构简单的模型叶片，用来进行风沙环境下冲蚀磨损试验研究是十分必要的。

相似模型，是指将某种物理现象的长度、时间、力、速度等缩小或扩大来进行实验的装置，它和不满足这种条件的模型，科学意义大不相同[6-8]。

设计相似模型的目的是要用模型实验来模拟并代替原型实验。

对于1.5MW 风力机叶片相似模型来说，就是希望用原型叶片的相似模型进行风沙冲蚀磨损实验，来模拟原型叶片的实验，得到原型叶片前缘实际在风场中受风沙磨损情况。

3.2 1.5MW 叶片相似模型的设计

根据实验条件，模型叶片的实验采用100W 发电机和相应装置。

由几何相似定义，在进行叶片模型设计时，只要保证叶片模型的边长与风场原型机叶片对应边长比例系数按同一尺度选取。

根据：

就可以得到模型的对应边长。

式中，kl- 尺度比例系数；lp- 原型叶片长度，m；lm- 模型对应叶片长度，m。

取尺度比例系数kl=1/38.5，叶片半径、弦长、厚度都按此比例系数缩小后成为1.5MW 模型叶片的外形，模型叶片长度为0.82m[8-11]。

根据叶片模型设计及叶片展向方向布置，选取NREL-S813、NREL-S814、NREL-S830、NREL-S831、和NREL-S 832 5 种翼型[7]。

3.3 1.5MW 叶片相似模型制作

根据1.5MW 模型叶片各截面设计参数加工制作作为试验用叶片。

由于现有大风机叶片普遍使用的环氧树脂- 玻璃纤维复合材料，1.5MW 试验用叶片模型基材仍然选用环氧树脂- 玻璃纤维复合材料，在实验室手工铺放制作，再按照叶片的涂层工艺进行聚氨酯喷涂，涂层厚度控制在1mm，1.5MW 模型叶片如图1 所示。

图1 1.5MW 试验用模型叶片

4 结论

为了进一步研究大型风力发电机叶片在风沙环境中冲蚀磨损机理，为研发适合高风沙恶劣环境下的叶片提供一定的理论依据，本文以1.5MW 风力风电机为原型机，利用相似理论设计了1.5MW 风力风电机叶片模型作为试验叶片，模型叶片的实验采用100W 发电机和相应装置，通过测试分析，该叶片模型能够满足试验需要。