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311 叶片设计的结构系数
根据实际运行经验,国外学者曾针对某种风电叶片,以对应55%风轮半径的叶片长度(0155r/R)为参考值,划分叶片的内外区域;对位于叶根附近的内区域以结构特性为主,而在靠近叶尖的外区域以气动特性为主的翼型设计方案进行了试验研究。结果表明,这种方案能有效地增强叶片的结构强度,同时也可以较好地满足叶片的整体气动性能的要求。
应指出:由于上述划分叶片内外区域的方案是针对特定叶片的性能试验提出,其定义尚不够明确。有鉴于风电机组的结构形式和基本参数(如功率、风轮半径、叶片长度等)差别很大,同时考虑到叶片一般是作为风电机组的独立部件,需要对此问题作进一步研究,以形成一种可行的设计方法供叶片设计过程采用。
通过对大型风电叶片设计要求和方法的分析,针对叶片翼型改进设计中气动性能与结构强度的矛盾,有必要设立一叶片结构系数J。
以一定的J值为界,沿风轮半径增大的方向,将叶片划分为内圈和外圈两个区域。
在叶片的内圈部分可考虑以结构特性为主的翼 型设计方案;而在叶片的外圈区域则以气动特性为主进行翼型的设计。
图3 叶片结构系数的定义
系数J的取值,应根据风力发电机的具体设计要求,如机组总体结构、性能参数和载荷情况等因素确定。显然,J值对叶片的总体结构设计有很大的影响,且与机组的性能密切相关,应考虑将其作为大型风电叶片设计的基本参数之一。因此,结构系数J不应是一个定值,还需要深入研究其内在规律以及对设计要求的影响,逐渐形成相关设计标准或叶片优化设计的基本约束条件。
312 叶片内外圈翼型的选择
由于大型风电叶片长数十米,质量以吨计,内圈区域所承受的弯曲和疲劳载荷很大,因此设法加强该区域的强度是叶片结构设计的关键环节之一。研究表明,在内圈区域采用钝后缘翼型增加叶片截面厚度对改善叶片结构强度极其有利,同时也是减小叶片单位体积质量,避免叶片成本随长度成幂律增长的主要途径。一般意义上,可以考虑沿叶片展向从叶尖开始从薄到厚的翼型分布设计,满足叶片气动和结构性能的要求。
虽然钝后缘翼型会增加截面阻力,但是由于分离点的推迟,降低了因气流分离而引起的阻力压差,而这部分阻力在总阻力中所占的比重是随攻角而增大的。所以在具有较大攻角的叶片内圈区域,采用钝后缘翼型,无论从结构力学还是空气动力学角度看都是合理的。 但对于叶片外圈区域而言,主要设计要求是最大限度地发挥其气动性能,一般应使其攻角处于最佳值。在此条件下,型阻将占较大比例,但叶片相应的结构载荷却比较小,故在外圈区域不应采用钝后缘加厚翼型。
实际上,由于外圈区域相对力臂长,选择高升阻比的翼型对提高叶轮整体的气动性能十分有利。因此,在叶片的外圈区域设计中,宜更多地关注升阻比较高的翼型(如NREL的S831、S830等),考虑选择此类尖后缘且较薄的翼型。
以某变桨矩控制风电机组的叶片设计为例,原设计在0175R和0195R处翼型分别选用S817和S816翼型,但这2种翼型是针对失速控制风电机组设计的,最大升力系数较低,气动性能一般。后采用翼弦较短、升阻比更高的S830和S831翼型,S831位与0190R处,其最大相对厚度x/c=0118,设计升力系数为115;S830作为外圈最主要的0175R处翼型,x/c=0121,设计升力系数为116,这种设计布局较大地提高了该叶片的气动性能。
313 叶片内圈翼型与整体气动性能的关系
从风电机组的总体设计观点看,风电叶片气动设计的主要目标是产生尽可能大的转矩,且沿叶轮轴向的推力较小。然而,在叶片的气动设计过程中,
图4削平后缘对转矩系数的影响
4 结论
(1)提出叶片结构系数J,并给出该系数的明确定义。以J为界,可将叶片分为内圈和外圈区域。
(2)对于大型叶片的内圈部分的翼型设计,可着重于结构要求,采用钝后缘的改进翼型设计,以提高叶片截面的结构强度,同时维持较好的气动性能。
(3)沿叶片的展向采用改进翼型截面与航空翼型截面相结合的布局方式,可有效地缓解叶片气动和结构设计的矛盾,在叶片外圈区域宜采用升阻比较高的薄翼型。
(4)结构系数J的取值对叶片的结构和气动性能有重要的影响,应根据设计要求和目标确定。
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