提高高原型風(fēng)電機組氣動性能的幾種措施

鐘賢和，李杰，戚中浩

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

提高高原型風(fēng)電機組氣動性能的幾種措施

鐘賢和，李杰，戚中浩

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000)

文章分析了高原型風(fēng)電機組的運行特點，并與常規(guī)風(fēng)機進(jìn)行了比較，提出了諸如提高風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速、降低葉片設(shè)計葉尖速比、提前變槳等提高高原型風(fēng)機氣動性能的措施。

高原型風(fēng)電機組，氣動性能，葉尖速比，提前變槳

0 引言

隨著國內(nèi) “三北”以及東南沿海等地區(qū)優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源的大規(guī)模開發(fā)，其后續(xù)開發(fā)項目逐漸減少，云、貴、川等高原地區(qū)逐漸成為今后風(fēng)資源開發(fā)的熱點地區(qū)。由于高原地區(qū)空氣密度較低，根據(jù)低海拔地區(qū)設(shè)計的風(fēng)電機組應(yīng)用于高原地區(qū)后更易出現(xiàn)失速等問題；另外，為了捕獲更多的風(fēng)能，目前風(fēng)電葉片存在普遍加長的現(xiàn)象，高原地區(qū)長葉片的應(yīng)用，將使風(fēng)電機組的失速問題更加嚴(yán)重。因此，研究高原地區(qū)風(fēng)機的運行特點，采用針對性措施提高其氣動性能尤為重要。

1 風(fēng)電機組運行特點介紹

要了解高原型風(fēng)電機組的運行特點，首先需要了解常規(guī)風(fēng)電機組的運行特點?，F(xiàn)代兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組主要為變速變槳風(fēng)機，其運行曲線如圖1所示，主要可以分為4個區(qū)域：

圖1 風(fēng)電機組功率曲線

·最低轉(zhuǎn)速區(qū)域：從切入風(fēng)速到V1段，此段風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最小轉(zhuǎn)速，葉尖速比 （TSR）隨風(fēng)速增大而減小，偏離最佳葉尖速比，功率系數(shù)Cp在最大功率系數(shù)以下。

·最佳運行區(qū)域：從V1到V2段，槳距角保持不變，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速成正比增加，機組運行在設(shè)計葉尖速比，Cp保持最大值。

·次最佳運行區(qū)域：從V2到額定風(fēng)速Vr，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，不再隨風(fēng)速增加，槳距角也仍然保持不變，葉尖速比隨風(fēng)速增大而減小，Cp開始下降。

·額定功率區(qū)域：從Vr到切出風(fēng)速，轉(zhuǎn)速和功率均維持在額定值，槳距角隨風(fēng)速增大而增大，以減小葉片攻角、降低Cp，使風(fēng)機功率維持在額定值。

當(dāng)風(fēng)速從V2增大至Vr時，葉尖速比和Cp不斷減小，葉片的攻角不斷增大，葉片攻角從α增大到α'（如圖2所示）。當(dāng)Vr達(dá)到一定值時，葉片攻角將增加至超過失速攻角，葉片失速。因此，增大V2，可拓寬最佳運行區(qū)域，縮小次最佳運行區(qū)域并減小Vr，提高風(fēng)機發(fā)電量。

圖2 葉片V2和Vr時的速度三角形

V2等于額定轉(zhuǎn)速時的葉尖線速度和最佳葉尖速比 （TSR-opt）的比值，提高轉(zhuǎn)速和降低最佳葉尖速比均可以提高V2，而V2的提高又能夠降低Vr，從而提高發(fā)電量。

2 高原型風(fēng)機的主要特點

相對于低海拔地區(qū)，高原地區(qū)空氣密度較低，額定風(fēng)速Vr較大，次最佳區(qū)域較寬，葉尖速比和Cp更大地偏離最佳值，攻角上升得更高，葉片更容易失速。如圖3所示的某風(fēng)機在不同空氣密度下的功率曲線，當(dāng)空氣密度由1.225 kg/m3下降到1 kg/m3時，額定功率時的葉尖速比由7.05下降到5.86，Cp相應(yīng)由0.38下降到0.28，導(dǎo)致次最佳區(qū)域擴大。當(dāng)空氣密度進(jìn)一步下降時，葉片將失速。

圖3 不同空氣密度時風(fēng)機功率曲線 （相同葉片）

圖4為V2對應(yīng)的葉尖速比 （TSR=9.97）和不同空氣密度下Vr對應(yīng)的3個葉尖速比 （TSR= 7.05、5.86、5.52對應(yīng)的空氣密度分別為1.225 kg/ m3、1 kg/m3和0.863 kg/m3）的葉片各截面攻角，在葉尖速比為最佳值時，葉片攻角在5°左右，此時翼型的升阻比最大，氣動效率最高。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，隨著風(fēng)速的增大，攻角增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)額定風(fēng)速時，葉片各個截面的攻角增加2°～10°，葉根35%區(qū)域以內(nèi)出現(xiàn)失速。在額定風(fēng)速Vr時，葉片同一截面位置處，空氣密度越低，攻角越大。在空氣密度為0.863時，除葉尖5%以外區(qū)域，其余截面攻角均超過12°，攻角大于各截面翼型的失速攻角，最終導(dǎo)致整個葉片失速。

圖4 不同葉尖速比下葉片各截面的攻角

3 提高高原型風(fēng)機氣動性能的幾個措施

要解決高原型風(fēng)機的失速問題，首先考慮的是增大V2，增加V2的方法有2種：一種是提高風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速，另一種方法是降低葉片的設(shè)計葉尖速比，這種需要重新設(shè)計葉片。其次考慮采用提前變槳，即在額定功率以前增大槳距角，這樣可以減小額定功率時葉片的攻角，避免在額定功率下葉片大范圍失速。

3.1 提高風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速

提高額定轉(zhuǎn)速可以擴大最佳運行區(qū)域，在縮小次最佳區(qū)域的同時提高整個次最佳區(qū)域的Cp和功率，從而也降低Vr。圖5給出了2種不同額定轉(zhuǎn)速時的功率曲線，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速從17.3 r/min增大到19 r/min時，V2至Vr段的功率明顯提高，提高幅度最高達(dá)18%，額定風(fēng)速也從13.9 m/s下降到12.8 m/s，失速現(xiàn)象也基本得到解決。

圖5 不同額定轉(zhuǎn)速下風(fēng)機的功率曲線

提高額定轉(zhuǎn)速可以通過提高發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速和降低齒輪箱速比2種方法來實現(xiàn)，如果降低齒輪箱速比，在Vcut_in～V1段的低風(fēng)速段功率會有所下降。不過，額定轉(zhuǎn)速的增大會帶來擺振載荷的增大。

3.2 降低葉片的設(shè)計葉尖速比

同提高額定轉(zhuǎn)速來增大V2的原理一樣，通過降低設(shè)計葉尖速比也可以擴大最佳運行區(qū)域，在縮小次最佳區(qū)域的同時提高整個次最佳區(qū)域的Cp和功率，從而也降低Vr。如圖6所示，將葉片設(shè)計葉尖速比從10減小到9，V2至Vr段風(fēng)機的功率明顯提高。

圖6 不同設(shè)計葉尖速比下風(fēng)機的功率曲線

葉片的設(shè)計葉尖速比取決于葉片的外形，同一種葉片，其設(shè)計葉尖速比是固定不變的。對于采用相同翼型的葉片，可通過增大葉片弦長來降低葉片設(shè)計葉尖速比。當(dāng)然，弦長越大，載荷也會有所增大，需要設(shè)計時綜合考慮。

3.3 提前變槳

由于在額定風(fēng)速附近時，葉片攻角較大，所以較易失速。如果在額定風(fēng)速前就提前變槳 （增大槳距角），即圖2中葉片的扭角θ將增大，葉片的攻角將減小，從而避免葉片失速，提高機組功率。圖7為空氣密度為0.863 kg/m3的功率曲線，在11 m/s風(fēng)速提前變槳到3°，11～14 m/s風(fēng)速段的Cp和功率比正常變槳有明顯提高，額定風(fēng)速也有所降低。

Several Methods to Improve Aerodynamic Performance of High Attitude Wind Turbines

Zhong Xianhe，Li Jie，Qi Zhonghao

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The operation characteristics of high attitude wind turbines had been analyzed and compared with common wind turbines.Methods to improve aerodynamic performance of high attitude wind turbines had been presented,such as increasing the rated rotate speed,reducing the design tip speed ratio of blade and pitching ahead of schedule.

high attitude wind turbines,aerodynamic performance,tip speed ratio,pitching ahead of schedule

TK472

A

1674-9987（2015）03-0026-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.007

鐘賢和 （1980-），男，高級工程師，工學(xué)碩士，2004年畢業(yè)于重慶大學(xué)熱能動力工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)電葉片設(shè)計工作。