附加空气反动力的高效风力发电机叶片动力特性研究

刘建生

摘 要：风力发电机叶片是重要的能量转换部件，通过改进叶片结构可以提高风力发电机的运行效率。叶片作为一种能量转换部件，利用内部结构可以完成能量的转换，通过流道设计能够为叶片提供定向的反作用力，增加叶片施加给叶轮轴的转矩。本文就叶片内部流道的利用进行了研究，提出了叶片内部通流设计、离心力利用、分段叶片、叶片内部能量转化等全新设计思路，为风力发电机制造单位和使用单位提供了必要的借鉴。

关 键 词：风力发电机；叶片；空气反动力；内部流道；分段叶片；动力特性；设计思路

中图分类号： 文献标识码：B 文章编号：1009-2889（XXXX）XX- XXXX-XX

Study on Dynamic Characteristics of High Efficiency Wind Turbine Blades with Additional Air Reaction Force

Liu Jiansheng

(East China Electric Power Test and Research Institute，China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Hefei 230000，China)

Abstract:Wind turbine blades are important energy conversion components. Improving the blade structure can improve the operational efficiency of wind turbines. As an energy conversion component, the blade can complete energy conversion using its internal structure. Through flow channel design, it can provide a directional reaction force for the blade, increasing the torque applied by the blade to the impeller shaft. In this paper, the utilization of internal flow channels in blades has been studied, and new design ideas have been proposed, such as internal flow design of blades, utilization of centrifugal force, segmented blades, and internal energy conversion of blades, providing necessary reference for wind turbine manufacturers and users.

keywords:wind power generator; blade; air reaction force; internal flow path; segmented blade; dynamic characteristics;design ideas

1 问题提出的背景

风力发电机把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来带动发电机发电。依据风力发电机技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

我国陆地和海上风能资源丰富[1]，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。十几年来，我国风力发电得到了大幅发展，风电装机超过3亿千瓦，单台风力发电机功率从最初的2-3MW，提升至目前的10MW，最大的风力发电机组功率已达15MW[2]。

图1 风力发电机示意图

2 风机叶片的结构和性能

2.1 风力发电机的组成

风力发电机由杆塔、叶轮和发电机等部分组成。杆塔是风力发电机的支撑部件，随着风力发电机功率的增大，杆塔的直径也越来越大，大型风力发电机杆塔的直径也达到5米以上，高度更是超过100多米。风力发电机设计要必须要考虑恶劣天气风载的影响，保证足够的强度，满足发电机组的安全稳定运行。

风力发电机的叶轮和发电机安装在杆塔的顶部。风机叶轮由叶片组成，目前风力发电机叶片以3片应用最为广泛。风机叶片风力发电机中最基础和最关键的部件（图1），叶片接收风的动能，并将动能转化为扭矩作用在风力发电机的主轴上，带动发电机转动发电[3]。

2.2 风机叶片的特点

风力发电机中叶片的叶型直接影响风能的转换效率，是风能利用的重要一环，直接影响风机的发电量。大型风力发电机的叶片长度超过100米[4]，有着更高的强度和风能转化效率。我国风力发电机制造水平居于世界前列，安装在江苏盐城基地的风力发电机采用全球最长的 SR260 叶片，叶轮直径达到 260 米，叶片扫风面积超过 5.3 万平米，功率达18MW。

风力发电机为了达到安全可靠和更高的运行效率，风机叶片（图2）的设计制造主要有以下特点：

1.叶片重量轻，强度较高且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受强台风、热带风暴等极端恶劣条件和随机负载的考验；

2.叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线符合规范要求，负载稳定性好。能满足复杂变工况运行要求，不发生失速折断和强烈共振；

3.叶片的材料表面光滑，减小风阻，叶型设计合理，能够获得更多的升力，为发电机提供更大的转向力矩。

图2 风力发电机叶片外形示意图

3 改进型叶片的提出

3.1 常规风机叶片的结构

目前大型风力发电机叶片均为空心结构，叶片表面为轻质的玻璃钢或碳纤维材质[5]，表面具有光滑的流线特性。为了保持叶片稳定不变形，内部安装有加强用的支撑板（图3）。

图3 风力发电机空心叶片结构

风力发电机叶片接收风的动能，并将动能转化为扭矩。空气流过风机叶片，由于叶片上下表面的流速不同，能够在叶片表面形成升力F。

风以一定的流速到达叶片的前缘，流过叶片上面的速度v1大于叶片下面的速度v2，根据伯努利方程

叶片上部的压力p1会降低，在叶片上形成那个向上的升力F。

图4 风力发电机叶片的受力

3.2 叶片改进方案的提出

3.2.1 叶片结构的设计优化

风力发电机叶片封闭式结构，并未利用叶片内部的腔室结构，建立叶片内部空气流道，用叶片内部的结构对空气能进行充分利用，通过换向等方式为叶片提供动力。如果能够对叶片内部设计合理留到，对具有一定压力流速的空气进行换向，利用空气流出的反作用力原理为叶片提供推力，则能够达到更高的风能利用效率。

如图4所示，叶片首先受升力F升的作用，升力即为传统风机叶片所受的力。在叶片前缘出设置空气进口，气流流经叶片内部，经尾部的切向小孔流出，会给叶片反作用力F反，该力会和升力一起构成推动叶片的力。

图4 风力发电机叶片受力构成

该力为F反 = mV。m为空气的质量，V为气流的速度。气流对叶片做功为W = 1/2mv2。

3.2.2 叶片反作用力的构成

叶片的反作用力也有两部分构成，一部分是具有一定动能的空气进入叶片，并流出所产生的力，这部分动能在叶片内部流道转化为压力能；另一部分是叶片旋转，随着叶片半径不同，会产生相应的离心力F离心。离心力同样可以增加空气动能，随着半径的增加，离心力会逐渐变大。

F离心 = ma = mv2/r=mω2r

m为空气的质量，a为向心加速度，v为线速度，r为半径。

对于存在于空心叶片中的空气，均会受叶片旋转离心力的作用，产生由叶片小半径向大半径方向的力。这个作用力会作用在空气，产生加速度，最终经加速的气流经排气孔排出，产生反作用力。

3.2.3 叶片离心力作用的测算

对于大型风机的长叶片而言，叶片在旋转式可以获得较大的离心力，通过叶片旋转，可以使内部的空气获得离心力。随着叶片半径的增加，获得的离心力也更大。

假设叶片长度为120米，一分钟转20圈，则ω=20*2π/60

则1kg空气在叶片末端120米处的离心力为

F离心=ma=mω2r

=1*（20*2π/60）2*120=526N

对于叶片其他几段空气的离心力也可做相应的测算。如将120米叶片分为5段，24米作为一段，每段根据离心力和压力的不同工况进行设计。位于叶轮中心部位因直径较小，离心力较小，但由于叶片实度较大，对风产生一定的阻力，空气速度能会转化为压力能。可以通过CFD模拟进行估算压力升高值。

在这部分离心力附加作用下可以增加叶片的压力能和动能，空气流经叶片内部并最终经叶片尾部的小孔排出，在一定流速的空气作用下形成一定的动能，从而提高叶片的扭矩，使风机获得更高的效率。

4 叶片附加空气动力需考虑的因素

利用叶片内部空心结构为叶片提供附加空气动力，使叶片受力更加复杂，需要对叶片进行整体设计，获得更高的风能利用效率，同时要保证叶片满足强度要求，能够适应台风、热带风暴等恶劣天气的安全可靠运行。因此，叶片设计需要考虑以下因素。

4.1获得最大的反作用力

大型风力发电机组的叶片较长，目前10MW以上的风力发电机组，叶片长度可以达到100多米。为了更好的发挥附加空气发动里的作用，可以沿叶片长度设置多个进气点。进气点的数量可通过排气孔通流最佳流量进行测算。

假设进气点的空气流量为Q，压力为p，流速为v。在叶片内部流动，并在获得离心力之后，叶片尾部排气孔的流速沿半径方向也会逐渐增加，可通过质量平衡进行计算，得到最佳的流量Q，并得出叶片分段的长度。

目前大型风机的叶片较长，最长的超过100米，甚至达到120米。因此可以叶片空气流道可以分段进行设计，采用多个不同的空气进入段方案。

假设叶片分为5段，则叶片获得的空气反作用力为：

F总=F1+F2+F3+F4+F5

随着叶片半径增加，在离心力的作用下，F1至F5也会逐渐增大。图5为2个空气进口风机叶片示意图，图中的曲线为空气流线示意图。

图5 空气沿叶片半径多段进入示意图

4.2 合理设计叶型

（1）采用更加合理的风机叶片叶型，通过合理设计叶片吸力面和压力面弧面，得到更多的升力，获得更高的风能转化效率。

（2）对叶片空气入口前缘和尾部排气位置进行加强设计，并对极端恶劣工况进行校核，提高叶片的强度和动态特性。

（3）合理设计叶片内部流道，安装设计内部支撑板，保持内表面畅通、光滑，降低空气阻力，在叶片内部完成动能压力能的相互转化。

（4）根据叶片的长度，对进气分段进行空气质量平衡、能量平衡设计，更加合理的利用空气的动力和离心力，使叶片获得更多的动能。

4.3 基于安全运行的考虑

（1）目前的风力发电机组沿用传动设计，风机叶片为封闭式，并未考虑利用内部流道，通过空气在流道内流动获得更大的动能。附加空气反动力的叶片受力更加复杂，需要对叶片的载荷进行全面核算，对叶片进行重新设计。

（2）提高风力发电机叶轮和叶片的强度，叶片选用强度更高玻璃钢，碳纤维材料，增加叶片的强度和柔韧性，提高叶片的使用寿命。

（3）对风机叶片进行CFD流体力学模拟，利用CFX工具进行仿真计算，确保内部空气流线、压力场，流速场合理，在获得更高效率的同时满足安全可靠运行的要求。

5 改进型叶片的设计及应用

为了实现风力发电机叶片的改进，通过设计和利用叶片内部流道提高风能的利用效率，需要对叶片进行全面的设计和校核，并经过充分的论证和试验后实施。

5.1风力发电机叶片设计

有别于传动封闭式风机叶片，改进型叶片改变原有叶片结构，在内部设置了空气流道，利用流道完成能量转换，需要对叶片进行创新设计，满足强度和高效率运行的要求。

（1）风机叶片结构设计

新型风机叶片附加了内部流道，叶片受力更为复杂，空气进入叶片内部会造成内部部件的腐蚀，并可能引起共振，因此应对叶片材质提高要求，并进行完善的模态振动特性校核。

（2）叶片进排气部位加强设计

新型叶片空气进口及尾部要进行加强，由于该部位需要开孔设计，会影响叶片强度，需按最恶劣工况进行核算，并选择材料。

（3）叶片材料的选择

选择高强度玻璃钢或碳纤维复合材料制造叶片，并在内部附加必要的骨架，保证叶片的强度和使用寿命。

（4）叶片表面采用流向光顺设计

新型叶片表面要采用流线型设计，减小不必要的风阻损失；对表面光顺设计，降低空气在叶片表面的阻力。

（5）叶片内部流道创新设计

合理设计叶片内部流道，内部流道畅通、设计合理，降低阻力损失，在叶片尾部获得较高的压力和流速，为叶片提供更多的反作用力。

（6）叶片离心力的合理利用

为了更加高效的利用叶片离心力，充分考虑叶片半径递增对进入空气流速和流量的影响，在长叶片采用分段设计，使空气在叶片内部动能和压力能得到增强，设置多个进口和出口，达到最佳的效果。

（7）风机叶轮的整体设计，叶轮设计兼顾叶片转动惯量、噪音及共振的影响，消除模态共振，使叶轮和叶片设计更为合理。

5.1改进型叶片现场安装实施

（1）需要更具新型叶片改进工艺流程，重新设计叶片的加工制造模具，采用强度更高的叶片材料，满足运行恶劣工况的要求。

（2）对于新风机可模块化设计安装，对于原安装的风机需对叶片进行设计制造并更换，实施过程较为便捷。

（3）在风机叶片改进后进行对应风速、发电功率测算，并与实际进行比较，确认改进叶片后的效果。

（4）为了保证风机运行维护中正确操作，防止发生设备损坏和非计划停运，赢专门进行培训，明确定期检查和维护的要点，编制相应的作业规范，保证操作安全，并降低施工成本。

6 小结

对风力发电机叶片改进可以提高风资源的利用效率，众多的科研机构、制造厂提出了叶片改造方案，风力发电机单机负荷和效率也得到了较大的提升。目前风机叶片改进方案主要集中在叶片叶型设计和叶片表面优化，较少提及对叶片内部空间的有效利用。通过对风机叶片内部结构进行改进，设计内部空气流道，空气在叶片内部完成叶片流速、离心力动能的能量转化，并最终经定向孔形成周向附加反动力，增加风力发电机叶轮的轴功率。本文对附加空气反动力的高效风力发电机叶片进行了研究，对能量转化进行了初步计算，并提出了新型叶片结构的改进思路和设计制造中应考虑的因素，为风力发电机制造单位和使用单位提供了借鉴。

参考文献：

[1] 程学文,李超. 风力发电机组未来发展趋势[C]//《风电技术》编辑部.《风电技术》2013年02月第1期（总第37期）.《风电技术》编辑部,2013:48-51.

[1] 王效宇.浅谈风力发电机组技术发展趋势[J].技术与市场,2019,26(08):161.

[1] 黄晓东,孙正军,江泽慧.风机叶片的发展概况和趋势[J].太阳能,2007(04):37-39.

[4] 赵明安,李占龙.大型风力机叶片技术现状及发展趋势的研究[J].现代物业(上旬刊),2011,10(10):19-20.

[5] 闻笔荣,周诚.风力发电机碳纤维叶片的发展现状[J].玻璃纤维,2014(04):42-46.

收稿日期：2023- - 改稿日期：2023- -

作者简介：刘建生(1976—)，男，河北唐山人，本科，正高级工程师，主要从事汽轮机、燃气-蒸汽联合循环机组的技术研究和设备管理工作，E-mail: 1170852860@qq.com。