近些年，風(fēng)電機(jī)組尺寸持續(xù)增長(zhǎng)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)著技術(shù)的持續(xù)更新。出于控制成本和保證安全的目的，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注如何提升風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)效率、優(yōu)化葉片外形、降低載荷和增加葉片生命周期等方面的研究。其中，疲勞載荷水平是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，降低疲勞載荷可以顯著降低風(fēng)電機(jī)組制造和維護(hù)成本。無(wú)論是提升風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)效率或是降低載荷水平，其研究的核心都集中于葉片的氣動(dòng)控制技術(shù)，而葉片氣動(dòng)控制在很大程度上依賴(lài)于對(duì)流經(jīng)葉片表面氣流的控制。本文將根據(jù)現(xiàn)有的研究資料討論風(fēng)電機(jī)組葉片的氣動(dòng)控制技術(shù)，這些技術(shù)有的已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組葉片上，有的還處于研究階段。

氣動(dòng)控制技術(shù)綜述

風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)控制技術(shù)可以分為兩類(lèi)：主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，如圖1 所示。被動(dòng)控制技術(shù)是指在不借助外部輔助力量下能夠提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率、降低氣動(dòng)載荷等的控制方法。常見(jiàn)的被動(dòng)控制技術(shù)如下風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組的自由偏航技術(shù)，氣彈適應(yīng)葉片以及渦流發(fā)生器、葉片擾流器等被動(dòng)氣流控制技術(shù)。主動(dòng)控制技術(shù)則指需要借助外力的控制技術(shù)，傳統(tǒng)的如機(jī)組偏航，葉片變速變槳等，更先進(jìn)的主動(dòng)控制技術(shù)如改變剖面形狀和翼型表面吹/ 吸氣的控制技術(shù)。

被動(dòng)控制技術(shù)

一、被動(dòng)偏航

絕大多數(shù)的現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組均采用主動(dòng)偏航控制，然而在早期風(fēng)電機(jī)組以及部分現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組中仍然可以見(jiàn)到被動(dòng)偏航的例子。其中最簡(jiǎn)單的的一種是尾舵偏航，它廣泛地用于風(fēng)輪直徑在幾米范圍內(nèi)的小型風(fēng)電機(jī)組中。還有一種側(cè)風(fēng)輪偏航系統(tǒng)，也成功地用在小型風(fēng)電機(jī)組中。然而無(wú)論是尾舵還是側(cè)風(fēng)輪偏航，由于其偏航力矩的局限，都沒(méi)能再應(yīng)用于現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組中。另一種應(yīng)用于部分現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組中的被動(dòng)偏航技術(shù)是下風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組中采用的自由偏航。該技術(shù)可以節(jié)約主動(dòng)偏航控制系統(tǒng)的成本以及避免主動(dòng)偏航中的風(fēng)向測(cè)量誤差，日立公司在其海上5MW 風(fēng)電機(jī)組上就采用了這種技術(shù)。

二、氣彈適應(yīng)葉片(彎扭耦合)

在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，葉片總是伴隨著彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，其帶來(lái)攻角的變化會(huì)影響到葉片的發(fā)電功率和氣動(dòng)載荷，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為氣彈耦合。因?yàn)槿嵝匀~片的氣彈耦合現(xiàn)象不可避免，故可以在葉片設(shè)計(jì)時(shí)利用氣彈耦合特性使其適應(yīng)優(yōu)化發(fā)電功率和降低疲勞載荷的目標(biāo)。其中，彎扭耦合是研究最廣泛的一種氣彈適應(yīng)性設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)旨在當(dāng)葉片受載彎曲的同時(shí)會(huì)伴隨著顯著的扭轉(zhuǎn)變形以增加葉片扭角，進(jìn)而降低攻角，降低載荷。這種技術(shù)能有效降低陣風(fēng)引起的載荷波動(dòng)，從而增加葉片疲勞壽命。目前有兩種典型的設(shè)計(jì)方法：基于材料的耦合和基于外形的耦合。

基于材料的彎扭耦合設(shè)計(jì)的原理如圖2 所示。利用纖維增強(qiáng)材料的各向異性，在葉片的上下翼面作“鏡像”鋪層，纖維方向與葉片軸向呈一定夾角。這樣葉片彎曲時(shí)，上下翼面纖維中的拉/ 壓力將形成同一方向的剪力分量，在翼剖面形成扭矩以致產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形?；谕庑蔚膹澟ゑ詈显O(shè)計(jì)指的是一種后掠葉片設(shè)計(jì)，原理如圖3 所示。葉片外形軸線逐漸偏離變槳軸線(指向與葉片旋轉(zhuǎn)方向相反)，當(dāng)揮舞方向氣動(dòng)載荷作用于葉片上時(shí)，將產(chǎn)生相對(duì)變槳軸線的扭矩使翼剖面順槳。這種后掠葉片設(shè)計(jì)常見(jiàn)GE 、西門(mén)子等公司的葉片中。

三、渦流發(fā)生器(VG)

渦流發(fā)生器(Vortex Generator ，簡(jiǎn)稱(chēng)VG )目前已廣泛應(yīng)用于航空、船舶等與流體相關(guān)的領(lǐng)域。VG 實(shí)際上是以某一安裝角垂直地安裝在翼型表面的小展弦比機(jī)翼，在迎風(fēng)氣流中可以產(chǎn)生翼尖渦，由于其展弦比小，翼尖渦強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。這種高能量的翼尖渦與下游的邊界層流動(dòng)混合后，把能量傳遞給邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場(chǎng)獲得能量后能夠繼續(xù)附著在翼型表面從而達(dá)到延遲分離的效果。

1980 年代，VG 開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組葉片中，用以控制流動(dòng)分離，大量應(yīng)用證明VG 能顯著提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率。當(dāng)前大型變速變槳控制風(fēng)電機(jī)組葉片的翼型設(shè)計(jì)工作點(diǎn)均處于較大升力系數(shù)處，即翼型工作于接近失速的攻角下。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而功率未達(dá)到滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，葉尖速比減小，葉片截面的攻角增加。而由于風(fēng)輪面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)線速度遠(yuǎn)低于葉尖，葉根區(qū)域的攻角大于葉尖，將先于葉尖區(qū)域失速。因此VG 常應(yīng)用于葉根區(qū)域(展向長(zhǎng)度30% 以?xún)?nèi))。圖4 為VG 應(yīng)用于葉片上的原理簡(jiǎn)圖。

四、擾流器

根據(jù)動(dòng)量葉素理論，最優(yōu)的葉片外形設(shè)計(jì)要求葉根部有很大的弦長(zhǎng)以捕獲風(fēng)能。然而在工程實(shí)際中，受結(jié)構(gòu)方面的制約，大部分葉片的最大弦長(zhǎng)均被大大削減。因此，葉根擾流器逐漸被廣泛用于葉片上以彌補(bǔ)葉根部的風(fēng)能捕獲。

在航空領(lǐng)域，飛機(jī)機(jī)翼的吸力面安裝擾流器，當(dāng)其打開(kāi)工作時(shí)，升力減小，阻力增加，常用于飛機(jī)降落過(guò)程中。葉片則剛好相反，擾流器被安裝于葉根部壓力面后緣，起到增加翼型中弧線的效果，增加了升力系數(shù)。圖5 展示了LM 和西門(mén)子公司葉片上常見(jiàn)的幾種擾流器。

五、翼刀

在航空領(lǐng)域中，后掠翼飛機(jī)機(jī)翼通過(guò)翼刀阻斷邊界層向翼尖的流動(dòng)，確保飛行的安全。在風(fēng)電機(jī)組葉片中，葉根區(qū)域流體雷諾數(shù)遠(yuǎn)低于葉尖區(qū)域，流動(dòng)受粘性力影響大，邊界層內(nèi)氣體受葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力有流向葉尖的趨勢(shì)，從而造成氣流分離向葉尖擴(kuò)大，導(dǎo)致氣動(dòng)效率降低。于是在葉片中也引入了翼刀的設(shè)計(jì)，在物理上阻斷邊界層向葉尖的流動(dòng)，增加氣動(dòng)效率。Van Dam 等人運(yùn)用CFD 方法分析了翼刀對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響。圖6 是LM 公司的一種帶有翼刀的葉片。

六、鋸齒后緣

隨著風(fēng)電機(jī)組安裝越來(lái)越靠近居住區(qū)，風(fēng)電機(jī)組噪聲問(wèn)題越來(lái)越受到重視。Oerlemans 和Mendez-Lopez 對(duì)Gamesa 公司的G58 機(jī)組進(jìn)行了運(yùn)行噪聲的測(cè)量，分析得出：

(1)風(fēng)電機(jī)組的主要噪聲來(lái)自于葉尖70% -95% 區(qū)域(葉尖噪聲已通過(guò)優(yōu)化的葉尖外形和反向扭角得到控制);(2)葉片的噪聲主要來(lái)自后緣噪聲。

根據(jù)飛機(jī)引擎降噪的經(jīng)驗(yàn)，Howe 于1991 年提出了鋸齒后緣降低葉片后緣噪聲的傳播理論。后緣鋸齒會(huì)使流動(dòng)在后緣處形成一列反向旋轉(zhuǎn)的渦對(duì)，改變了尾渦結(jié)構(gòu)，減弱了下游尾跡區(qū)的展向相關(guān)性，減小了噪聲的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射。隨后大量的理論研究及實(shí)際應(yīng)用表明該技術(shù)可以顯著降低葉片的氣動(dòng)噪聲。目前鋸齒后緣設(shè)計(jì)已普遍應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組葉片中，圖7 為其在西門(mén)子葉片上的應(yīng)用實(shí)例。

七、葉尖小翼

葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于壓力差導(dǎo)致壓力面氣流繞過(guò)葉尖端面流入吸力面，既破壞了葉尖二維流動(dòng)情況，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生葉尖渦，這是造成葉尖噪聲、葉片效率減小、疲勞載荷增加的主要原因之一。借鑒飛機(jī)機(jī)翼解決翼尖渦的經(jīng)驗(yàn)，一種類(lèi)似翼梢的葉尖小翼被應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組葉片中。加裝小翼，可以重整通過(guò)葉尖流場(chǎng)的氣流，有效地降低葉尖處誘導(dǎo)阻力，減少葉尖能量損失，從而提高原有風(fēng)電機(jī)組的功率輸出。這種葉尖小翼設(shè)計(jì)與大弦長(zhǎng)葉根一樣幾乎成為Enercon 公司風(fēng)電機(jī)組葉片的標(biāo)志(如圖8 所示)，然而也有越來(lái)越多的其他風(fēng)電機(jī)組制造商開(kāi)始采用這種技術(shù)。

主動(dòng)控制技術(shù)

主動(dòng)控制技術(shù)是指通過(guò)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、葉片入流角及葉片表面氣流等因素的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)電機(jī)組載荷及氣動(dòng)性能的目的?，F(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用最廣泛的主動(dòng)控制方法是主動(dòng)偏航和變槳。本文主要介紹對(duì)葉片表面流動(dòng)的主動(dòng)控制技術(shù)，目前這方面技術(shù)的研究有很多，大體可分為通過(guò)改變剖面形狀和通過(guò)表面吹/ 吸氣的方式進(jìn)行氣動(dòng)特性的控制。

一、改變剖面形狀

在飛機(jī)機(jī)翼中，通過(guò)后緣襟翼的收放來(lái)增大或減小翼型中弧線弧度，可以影響翼型的升力曲線。很多國(guó)外研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)對(duì)襟翼在葉片中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，Vestas 公司與丹麥科技大學(xué)一起在其V27 機(jī)組的葉片上安裝了0.7m 長(zhǎng)的后緣襟翼，通過(guò)在試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行測(cè)試表明可降低葉根部揮舞彎矩14% 。然而這種傳統(tǒng)的襟翼機(jī)構(gòu)存在一些制約其應(yīng)該到風(fēng)電機(jī)組葉片的因素，其中最主要的一點(diǎn)是葉片在運(yùn)行過(guò)程中揮舞方向的變形很大，而連接襟翼與葉片主體的鉸鏈系統(tǒng)很難與其協(xié)調(diào)，另外復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也給制造和維護(hù)帶來(lái)不便。圖9 為一種帶后緣襟翼控制葉片的機(jī)組。

Van Dam 基于Gurney 襟翼研究了一種可主動(dòng)平移的后緣小板結(jié)構(gòu)，這種小板分別安裝于翼型上下翼面，可以根據(jù)不同工況需要調(diào)節(jié)小板的平移量影響翼型氣動(dòng)特性。通過(guò)CFD 計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并用氣彈分析工具分析它能顯著降低葉片疲勞載荷。這種小板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且在葉片展向分散安裝，因此有實(shí)際應(yīng)用在葉片上的可能，圖10 為這種后緣小板結(jié)構(gòu)的示意圖。

近年來(lái)，基于智能材料的可變形翼型得到了越來(lái)越多的研究。丹麥Risoe 實(shí)驗(yàn)室研究了一種可變形后緣的翼型，它的后緣處有一種壓電材料制作的小平板與主體相連，變形響應(yīng)及時(shí)且不受葉片展向長(zhǎng)度的限制。通過(guò)對(duì)Vestas 公司V66 機(jī)組數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在葉片上使用7m 長(zhǎng)的該種后緣結(jié)構(gòu)，可以在10% 湍流強(qiáng)度下減小揮舞彎矩60% 。代爾夫特理工大學(xué)也對(duì)安裝了這種可變形后緣平板的縮比葉片模型進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可降低葉根應(yīng)變60% -95% 。圖11 展示了美國(guó)FlexSys 公司開(kāi)發(fā)的另一種后緣部分可整體連續(xù)變形的自適應(yīng)柔性翼型，他的后緣變形范圍可達(dá)±10 °，目前已經(jīng)應(yīng)用到了高科技飛機(jī)中，具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)尚未公開(kāi)。

二、表面吹/吸氣流

翼型表面吹/ 吸氣流技術(shù)是指通過(guò)對(duì)翼型邊界層中吹入高速氣流或吸走低速氣流的方式重新為邊界層附能，從而延遲流動(dòng)分離的技術(shù)。盡管該技術(shù)在航空領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，但在風(fēng)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用受到很多制約。其中之一是這種傳統(tǒng)的吹氣或吸氣機(jī)構(gòu)很難在葉片內(nèi)部安裝，另一方面吹氣或吸氣系統(tǒng)的工作易受到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境如沙塵、冰凍的影響。

在傳統(tǒng)的邊界層吹/ 吸氣流技術(shù)基礎(chǔ)上，研究人員相繼提出了等離子體激勵(lì)器、環(huán)量控制翼型、合成射流等邊界層流動(dòng)控制技術(shù)。然而這類(lèi)技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用葉片中還有很長(zhǎng)的路要走。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片實(shí)施氣動(dòng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)增加風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率，降低陣風(fēng)等惡劣工況下對(duì)葉片的動(dòng)態(tài)載荷，增加葉片生命周期。葉片的氣動(dòng)控制技術(shù)分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩類(lèi)，目前已經(jīng)有很多的被動(dòng)控制技術(shù)在實(shí)際葉片中得到了應(yīng)用并證明了它們對(duì)葉片氣動(dòng)特性的有效控制，比如彎扭耦合設(shè)計(jì)的葉片、渦流發(fā)生器、擾流器、翼刀、葉尖小翼和鋸齒后緣等的應(yīng)用。越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究很多主動(dòng)控制技術(shù)，這些技術(shù)比被動(dòng)控制技術(shù)對(duì)流動(dòng)的控制更直接有效也更加靈活，然而受制于成本、安裝及維護(hù)等方面的限制，尚未能得到廣泛應(yīng)用，這將是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。