文 | 时文刚

我国风电产业发展迅速，风电装机容量持续增长，但是在产业发展过程中不可避免地出现了一些问题。例如，在产业起步阶段安装的风电机组，受当时设计和制造技术水平限制、受当时风能资源开发市场的激烈竞争以及风电机组及部件市场供不应求等情况影响，一些风电场在风电机组选型、微观选址与风电场设计等方面存在一定程度的偏差。经过几年的运行，这些风电场逐步暴露出风电机组发电能力不足、设备可靠性不高与可利用率偏低等现象。因此，针对这些风电场设备的技术改造，特别是提高能效方面的改造，受到风电场运营企业的关注。

叶片空气动力特性是决定风电机组优劣的关键问题之一。有限长度的叶片旋转运动时，由于叶尖压力面和吸力面的压力差，导致压力面气流绕过叶尖端面流入吸力面，形成复杂的三维流动，同时还会产生高强度的叶尖涡。叶尖涡是造成叶片效率降低、疲劳载荷增加和叶尖噪声增大的主要原因之一。改善叶片的风能利用效率是风电机组技术改造中的一条重要技术路线，利用流体动力学原理，在风电机组叶片尖部设计、安装一些装置可以有效地保持叶尖二维流动特性，减小叶尖涡影响，从而提高叶片效率，相应地提高风电机组的输出功率。本文着重对国内外风电机组叶尖小翼提效技术的研究成果进行分类梳理，并提出了进一步的技术发展方向。

风电机组叶尖小翼的研究现状

长期以来，人们一直力图通过改变飞机机翼翼尖处的几何形状，研究减小诱导阻力的有效方法。上世纪70年代，美国国家航天局的Whitcomb从鸟翅膀尖部的小翅得到启发，在飞机机翼的翼梢处安装了小翼片，从而减少了机翼的20%诱导阻力，预计可节省7%的燃油。后续研究发现，应用非平面的翼梢升力装置可以更好地减小诱导阻力，这些装置包括翼尖端板、翼尖帆片、翼梢小翼等。

基于飞机翼稍升力装置的研究成果，1976年，荷兰代尔夫特理工大学的Van Holten最早提出了在风电机组叶尖处添加小翼的概念。随后，由荷兰代尔夫特理工大学与美国Aero Vironment公司共同启动了风电机组叶尖小翼的研究。由Aero Vironment公司提出的Aero Vironment型的小翼被实际用于水平轴风电机组并成功提高了风电机组的输出功率。

日本三重大学清水辛丸教授领导的实验组也做了多种小翼设计的试验研究，得出了不同叶尖速比情况下的功率放大系数曲线，并成功的开发了一种叶尖小翼，即Mie型小翼（Mie Vane）。根据实验用风电机组的风洞测试结果，在叶片尖速比为4时，采用Mie型叶尖小翼后，风电机组功率可提升27%，叶片风能利用系数（功率系数）Cp最大可达0.45。在叶片尖速比为5时，采用Mie型叶尖小翼后，实验用风电机组功率可提升17%。另外，根据测试结论，在叶片尖速比大于8时，未显示Mie型叶尖小翼可有效提高风电机组功率系数。

丹麦技术大学的Ris 国家实验室的Jeppe Johansen，针对当前MW级的风电机组，应用计算流体动力学（CFD）对安装小翼的风电机组叶片附近的空气动力特性进行了数值分析。通过调整小翼的四个主要形状参数，分析这些参数对风电机组风能利用系数与推力的影响。分析结果显示，对现有风电机组安装叶尖小翼可以将风能利用系数提升大约1.0%－2.8%，额外产生的推力升高大约1.2%－3.6%。

美国威斯康星大学密尔沃基分校的Alka Gupta同样应用计算流体动力学方法，分析了在叶轮直径20m的风电机组压力侧安装叶尖小翼后，叶片风能利用系数随小翼倾斜角与小翼高度的变化情况。分析结果表明，叶尖小翼可以提高叶片风能利用系数2%－20%。45°倾斜角小翼比垂直小翼（90°后掠角）功率提升更大。另外，功率提升随小翼高度增大而增大。在研究的四种小翼形状中，45°倾斜角、4%叶片长度的小翼在风速为19m/s时可以提高叶片风能利用系数达20%。

丹麦VESTAS公司K. B. Godsk对风电机组叶尖小翼也做了大量研究，对于采用标准叶片的风电机组，在平均风速为8.5m/s时，针对小翼的不同延伸量，计算了风电机组的理论平均风速年发电量。高度为1%叶片半径的小翼增加年发电量0.9%，2%小翼增加年发电量1.5%，4%小翼增加年发电量2.4%。对于落在5m/s－11m/s之间的风速，效果特别明显。因为对于较小的风速，风的径向运动的效果有限。随之叶尖小翼高度增大，发电量增量趋向于增大，但是受到机械构造约束，以及受存在小翼而在叶片的翼尖部分上产生的力的约束，使得小翼高度实际上限大约为风轮机半径的5%。

德国Siemens公司的S ren Hjort对其公司SWT－2.3－93型风电机组加装叶尖小翼后的性能做了CFD数值分析，计算结果表明：46.2m叶片在10m/s的风速下，在叶片flapwise（拍打）方向加装2.5m高的小翼后，叶片风能利用系数增加2.6%；在叶片edgewise（摆振）方向加装2.5m高的小翼后，叶片风能利用系数增加1.1%。

德国Enercon公司已经成功将叶尖小翼广泛应用于E33－330、E48－800型及后续型号的风电机组上，如图1所示。通过综合采用叶尖小翼、叶型优化设计和叶片根部优化设计等技术，其E33风电机组叶片的实测风能利用系数可达0.56，已与贝兹极限0.593非常接近。

国内在该研究领域的研究始于上世纪90年代末期。内蒙古工业大学的汪建文教授应用计算流体软件FLUENT对风电机组加小翼气动特性进行了数值计算，并结合低速风洞实验，对风电机组叶尖加小翼的作用进行了初步探索。通过实验，摸索不同尖速比λ的情况下，风电机组风能利用系数Cp值的变化规律，以及小翼对风电机组的扭矩、转速以及输出功率等参数的影响。分析结果表明：与无小翼风电机组对比，有小翼风电机组发电量增加量为3%－8%。

图1 Enercon公司E48-800型风电机组的叶尖小翼

南京航空航天大学的王同光教授针对基于分裂叶尖布局的概念型水平轴风电机组的气动特性，利用计算流体力学方法展开数值模拟研究，并与自由涡尾迹方法的分析结果进行了验证。在NREL phase VI实验风电机组的基础上，研究了合理布局的分裂叶尖小翼之间的相互作用对大风速下风电机组叶片流动分离与总体气动特性的改善效果。在不明显增大轴向推力的前提下，以风能利用系数形式给出的气动效率得到明显改善，在20m/s风速时，比原始设计提高可达30%左右。

风电机组叶尖小翼的理论模型

荷兰代尔夫特理工大学的Van Bussel，针对安装Mie小翼的风电机组，提出了基于全局动量理论（Global Momentum Theory）的模型，这也是迄今为止仅有的关于风电机组叶尖小翼理论模型，该理论对其他形式的叶尖小翼同样具有参考意义。

全局动量理论假设下游部分的Mie小翼使涡尾流向下风向后移。而且，还假设Mie小翼也在风电机组上产生轴向力，但不改变叶片上的总压。该理论仅适用于较小的无量纲小翼下游长度d＝D/R，d≤0.2，其中D为小翼高度，R为叶片长度。据此，推导求得叶片功率系数Cp,Mie值：

式中α为轴流诱导因数或入流系数。参数β（0≤β≤1）表示叶片载荷向小翼部分传递的涡尾流载荷系数。当β＝0时，没有涡尾流载荷传递。这种情况下，Mie小翼对于叶片性能仅有负面作用，因为其产生额外的空气阻力。当β＝1时，全部叶片涡尾流载荷被传递到Mie小翼，即涡尾流影响完全向下游传递。当d＝0时（无小翼），上式还原为经典理论中的风能利用系数Cp。

通过对式（1）求导，最大风能利用系数在以下情况下取得：

从而可以得到最大风能利用系数Cpmax,Mie

根据该理论模型，在最大风能利用系数Cpmax,Mie时，叶轮平面的气流入口速度Uevw为：

式中U为气体流速。

相应地，在尾流远端的气流速度Uwake为：

根据伯努利方程，在最大风能利用系数Cpmax,Mie时，在叶轮盘面前后产生的最大压力降Δpmax为：

由上式可以看出，在叶轮盘面处的最大压力降要大于根据经典理论计算的最大风能利用系数时的最大压力降。因此，正是叶尖小翼产生的更大压力降提高了叶片的风能利用系数。

常见的风电机组叶尖小翼形式

一、Mie型叶尖小翼

日本三重大学清水辛丸教授最早提出了Mie型小翼设计，其形状参数如图2所示。

根据在模型风电机组上的实验结果表明：Mie型叶尖小翼的上游部分对叶片功率系数的提升作用不大；对于V型和S型小翼，S型小翼的提效功能稍好一些；Mie型小翼与叶尖弦长之间的比例是一个非常重要的参数，增加Mie型小翼下游部分的小翼长度可以提高叶片功率系数，但这种提升效果是非线性的；Mie型小翼的外倾角α与β非常重要，最佳外倾角是α＝15°与β＝20°；叶轮功率还受Mie型小翼的安装角γ的影响，γ＝0°时，叶轮功率最大，随γ增加，叶轮功率下降。此外，风电机组叶轮最优尖速比的提高反而会使叶片功率系数的最大值降低，因为在高尖速比下，粘性阻力损失会加大。

二、后掠型叶尖小翼

与飞机中应用的翼梢小翼类似，风电机组叶片可以加装后掠型叶尖小翼来提高发电性能，后掠型叶尖小翼的形状参数如图3所示。

风电机组叶尖小翼向气流下游（低压侧）弯曲时，小翼高度会受到风电机组叶片与塔筒之间的间隙大小的约束。因此，一般都采用弯向气流上游（高压侧）的叶尖小翼。然而，研究表明，采用弯向低压侧叶尖小翼的风电机组发电性能要高于采用弯向高压侧叶尖小翼的风电机组。

图2 V型与S型Mie小翼的形状参数

图3 后掠型叶尖小翼的形状参数

后掠型叶尖小翼具有以下特点：当叶尖小翼的倾斜角减小时，叶片功率系数增大；后掠角的大小对叶片功率影响不大；随着小翼弯径的减小，叶片功率系数增大；小翼扭角对叶片功率提升作用较小；另外，叶片功率提升随小翼高度增大而增大。有研究表明，基于叶轮直径20m的实验风电机组，应用CFD分析计算，叶片功率提升效果随风速以及小翼参数的不同而不同。例如，高度为4%叶片长度，45°倾斜角的后掠型小翼在风速为19m/s时可以提高叶片效率可达20%。

三、分裂型叶尖小翼

基于多片小翼概念的分裂型叶尖小翼形式基本形式如图4所示。

图4 分裂型叶尖小翼的形状参数

由于采用分裂叶尖形式的气动布局，多个小翼将原来集中于叶尖附近的涡流进行了重新分配。分裂叶尖的布局使得近尾迹区涡核附近的涡量极值比原始叶片大为降低，从而有效减弱下游集中涡流的诱导作用。另一方面，通过合理布置小翼，能够使叶片端部区域在中等和大风速下可以获得额外的前缘吸力，从而实现更高的气动效率。有CFD研究表明，对于叶轮直径10m的20kW实验变桨风电机组（NREL PHASE VI风电机组），在原始叶片85%展长位置改为由三段相互独立的小翼组成的分裂叶尖布局，各小翼均无扭转，各小翼的翼尖与翼根之间的长度比（根梢比）均为0.75，后掠角均为45°，从前缘向后缘倾斜角（上反角）依次为40°、20°、0°，在10m/s－25m/s风速范围内，风电机组扭矩输出增长幅度在7%－40%之间。在20m/s风速时，风能利用系数相对可提高27%－31%不等，同时轴向推力系数与原型叶片相比变化不大。善风电系统的控制理论与实践有重要促进作用。这些未来的研究方向主要包括在以下几个领域：

（1）风电机组叶尖小翼的空气动力学理论模型研究。现有的Mie型叶尖小翼空气动力学模型，基于多个假设条件对模型做了大量简化，并且只适用于一种小翼。将该理论模型应用于其他类型的叶尖小翼时，部分理论分析结论与风洞实验结果对比还存在很大偏差。另一方面，现有的风电机组叶尖小翼的气动力效应分析，大多借鉴飞行器翼梢小翼平动状态的分析经验。而对于风电机组叶轮回转运动状态下，以及在风电机组偏航、变桨以及叶片承载变形状态下，更加复杂空气涡流场中叶尖小翼的动力及功效分析成果还非常有限。

（2）风电机组叶尖小翼参数的系统优化方法研究。以往的研究成果表明，一方面，叶尖小翼的形状参数对风电机组叶片功率系数影响很大，另一方面，风电机组的尖速比也对小翼的动力效应有影响。因此，需要针对不同风电机组的尖速比下的叶尖小翼参数做系统优化，通过CFD建模分析，结合实验测试，进而得到叶尖小翼的系列功效型谱，为风电机组叶片设计中的小翼选择提供参考依据。

（3）风电机组叶尖小翼自适应可变结构设计方法研究。既然需要根据风电场的风能资源具体情况与风电机组叶型，以及运行特性（尖速比设置）来优化配置叶尖附加装置，那么基于最优叶片功率系数的自适应、可变叶尖小翼结构及其控制技术的设计开发的必要性显得尤为重要。其中还要综合考虑叶尖小翼产生的附加质量、离心力和气动力对风电机组结构动态特性的影响，以及叶尖小翼机构运行的安全稳定性、可靠性和寿命等因素的影响。

结语

风电机组叶尖小翼提效技术展望

目前，风电机组叶尖小翼提效技术的研究与实际应用仍处于初级阶段。虽然已取得大量关于风电机组叶尖小翼的CFD数值分析与基于模型风电机组的风洞实验结果，但基础理论研究与风电机组应用实践方面，特别是针对MW级以上变桨风电机组的应用实践方面，仍有一些亟待解决的科学问题，这些问题指示了风电机组叶尖小翼的未来研究与应用的方向，对于进一步提高风电机组的风能利用效率，对完

受固定翼飞行器采用的提高升力、降低阻力的翼尖小翼启发，叶尖小翼在风电机组叶片的设计中逐步得到关注。现有研究成果表明，风电机组叶尖小翼能够有效的降低诱导阻力，增大风电机组叶片上的表面压差，加大风在叶片上的作用力，提高叶轮风能利用系数，进而提高风电机组发电功率。本文对国内外风电机组叶尖小翼提效技术研究成果进行了分析总结，并提出了进一步的研究与技术发展方向，为风电机组的设计以及已运行风电机组的提效改造提供了参考。