苗涛

摘要：本文简单介绍了涡流发生器，以某风场为例，探究了叶片的气动特性，以及加装涡流发生器之后的叶片气动特性，探究了在不同外形叶片上加装涡流发生器之后的气动性能对比。

关键词：涡流发生器;风力发电机;叶片

前言

由于涡流发生器可以产生较高强度的叶尖涡，可以使翼型的气动性能得到有效改善，所以被广泛应用于航空界。伴随相关研究人员对风力发电的进一步研究，业界也越来越重视在风电叶片上应用涡流发生器的探索。通过计算和研究相关的数据，确认要提升2%左右的叶片年发电，不仅与涡流发生器的安装位置、分布密度、几何形状等参数有直接联系之外，还和叶片自身的气动性能关联。因此，下文将针对涡流发生器在风里发电机组叶片上的应用展开分析探究。

1.涡流发生器简析

涡流发生器可以有效使边界层所分离的气动附件得到抑制，在20世纪40年代就已经应用到了涡流发生器，涡流发生器在现阶段的航空领域也广泛应用，而且应用和发展正慢慢成熟化。在风电叶片边界层的分离控制中应用涡流发生器具有良好的效果，为使抑制流动分离得到实现，将叶片的输出功率增加，需要在风电叶片叶根到叶中区域的吸力面安全涡流发生器[1]。风力机叶片性能会受到安装涡流发生器的位置还有涡流发生器的形状的影响，并且风力叶片机的出功要想得到增加，就要严格按照涡流发生器的安全标准和安装条件来进行，确保连接叶片的强度达到相关的要求，同时还要选择合适的涡流发生器材质[2]。

优化几何特征的涡流发生器将通过开展风洞试验来进行，并将在某个高海拔的风场机组叶片上安装涡流发生器，然后针对安装上涡流发生器的叶片展开评估，主要评估年发电量在安装之前和之后的变化的，并且在评估结果中可以知道，要是只加装涡流发生器之后不会有其他改变，可以提升4%左右的年发电量，要是调整控制整机的测量，还可以进一步提高2%左右的年发电量[3]。

2.某风场的叶片气动特性

此风场的空气密度不高，0.9kg/m3为实测值，空气密度为1.236kg/m3的时候是设计状态，叶片的额定风速在这种状态的时候可以得到提升，叶片各切面攻角也会得到相应增加，在风速为10.8m/s左右的时候，叶片的状态属于停滞不增，达到额定的风速是在13m/s的时候，而叶片发电量损失严重在10.8—12m/s的风速区间段。

3.加装涡流发生器在叶片之后的叶片气动性能

有很多研究人员针对涡流发生器的几何特征展开了数值模拟试验，表面压力的测试方法被Timmer等应用，其将涡流发生器加装在大型风电叶片专用厚翼型DU97-W-300，并进行了相关的测试，经过测试研究可以知道气动特性在加装涡流发生器之后有了变化，通过图1可以知道，涡流发生器在叶片上得到加装之后，失速攻角在很大程度上得到了延迟了，并且促使最大升力吸住提升，同时升阻比和翼型升力系數也有了变化，得到了相应提高，再次技术上阻力也有所增加。

3.1性能在加装涡流发生器之前和之后的对比

以叶片发电量损失情况为基础，为了确保翼型最大的升力系数得到有效增加，保证扩大升力系数的线性区间所具有的优势，同时合理的改善叶片的气动性能，需要在叶片上粘贴设计好的涡流发生器。当叶片加装了涡流发生器之后，图2是曲线对比图[4]。通过图2可以知道，涡流发生器加装完成之后，叶片在小尖速比大风速区域的Cp值增加较为明显，Cp的范围得到扩展，叶片对于大功角的敏感度有所降低，发电量得到增加。

3.2叶片在加装涡流发生器前后的功率特性

加装涡流发生器在该叶片之后，在一定程度上提高了叶片的功率，变化可以通过图3看出，不同风速发电量的增加情况在图4得到说明了，风值要是越高，那么增加值也随之变化。

3.3加装涡流发生器之前和之后的年发电量变化对比

不同机组的控制器要是没有得到相应的调整，且调整不具备适当性，即使涡流发生器在加装完成之后，不同风速所对应的年发电量会得到很大程度的提高。通过图5可以知道，年平均风速从5.4m/s提升到11m/s的时候，明显提升了40%以上的年发电量[5]。

针对机组控制策略进行完善与优化，可以确保叶片在进入到功率不增的区域之前，变桨可提前进行，才能减小攻角，进而保证在线性区间可以有叶片翼型升力吸住进入，那么不增加功率的区域会消失。

4.对比不同外形叶片加装涡流发生器之后的气动性能

加装涡流发生器在不同外形的叶片上，叶片增功的效果也会不一样，叶片额定风速、叶片尖速比等相关的主要参数都会影响到叶片的提升效果，要是这些参数不一样，那么就会造成叶片的运行要是处于较低的空气密度下，那么翼型的攻角也会具有较大差异性。原有的翼行失速角在涡流发生器的作用下得到推迟，最大升力系数得到明显提升，线性区间段的内攻角越大，那么增功效果也就会越明显，增功效果随着内攻角的变化而变化。

图6、图7、图8分别列出了两款机型在0.9kg/m3空气密度时候相应的叶片的气动性能参数。并且通过图7可以看出，两款叶片的尖速比都不一样，额定风速也具有差异性，93机组叶片的翼型实际攻角相较于87机组的翼型实际攻角要大一些，所以，要是空气密度较低的时候，93机组更容易有功率提升缓慢或者过渡区出现，但是87机组没有过渡区出现。

从图9可以看出，在加装涡流发生器之后，有效提升了93机组叶片和87机组叶片的年发电量，但是在不同年平均风速之下，年发电量增加更多一些的是93机组叶片，93机组叶片与87机组的叶片相比较来说，增加了1%左右，主要由于在93机组叶片加装涡流发生器位于翼型升力系数增加的的位置[6]。

此外，还分析了另外一个机组加装涡流发生器前后的功率曲线对比，通過图10可以知道，当来流风速低于12m/s的时候，对于机组发电功率的营销不大，但是要是风速高于12m/s，那么涡流发生器的作用就会特别明显。

结束语

上文针对涡流发生器，还有叶片的气动特性，以及涡流发生器在得到加装之后的叶片气动特性和不同外形叶片加装涡流发生器之后的气动性能对比展开了相关的分析探究。我们可以知道，当额定风速在较低空气密度的情况下，叶片适合加装涡流发生器的类型有变桨叶片和定桨叶片。变桨叶片处于低空气密度的时候，叶片的额定风速相较于设计工况，前者的额定风速要高一些，当额定风速附近有叶片的时候，会增加攻角，在完成涡流发生器的加装之后，可在一定程度上避免叶片有失速问题出现，进而提高和增加年发电量。但是，要是叶片气动性能达不到目标效果，转速和风速不具备适应性，那么在此时叶片攻角会增大，为使叶片气动性能得到改善，同时增加发电量，需要进行涡流发生器的加装。而定桨叶片的额定风速较大，叶片的攻角也相对较大，为了使增功效果得到突出，并且将提增功效果提升，可以通过加装涡流发生器来实现。此外，叶片的组成部分中也包括了涡流发生器，要是应用了涡流发生器，务必要同叶片一起使用终生，所以，在选择涡流发生器材料的时候，以及安装涡流发生器的时候，也必须要严格控制。

参考文献

[1]吴映芳， 赵春妮， 张立新. 涡流发生器在风力发电机组叶片上的应用[J]. 天津科技， 45（09）：82-85.

[2]何政洋. 涡流发生器参数对风力机叶片气动特性影响的数值模拟研究[D]. 重庆大学.

[3]薛丁云. 风电叶片及翼型安装涡流发生器气动特性实验研究[D]. 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）， 2016.

[4]邹立伟， 魏敏， 宋之燕. 风力发电机组叶尖延长增效技术的经济性分析[J]. 风能（3）：80-82.

[5]赵磊， 房亚鹏. 一种应用了榫卯结构的风电叶片涡流发生器：， CN205370867U[P].

[6]张华耀， 运鸿， 桑玉虎. 一种涡流发生器及安装涡流发生器的风电叶片：， CN205478093U[P].