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遠景葉片帶來哪些效率突破?

認知遠景葉片帶來的效率突破之前,還是先來了解1935年格朗特提出的葉素動量理論(BEM)為什么無法滿足先進葉片設計需要的問題。

認知遠景葉片帶來的效率突破之前,還是先來了解1935年格朗特提出的葉素動量理論(BEM)為什么無法滿足先進葉片設計需要的問題。

從本質上講,BEM理論將風輪繞流假設為二維定常的流場,而實際上風輪繞流是全三維非定常的流場。專業人士知道,BEM理論基本方法和模型已經告訴人們,在較高葉尖速比條件下,由于風輪尾渦螺距變小,葉片的誘導速度分布十分復雜,BEM理論基于獨立平衡流管假設的計算準確性,會隨著葉尖速比升高而下降,直到不適用。

那么,由格朗特修正經驗公式推導而來的葉片氣動效率Cp值的利用上限很可能被低估了。可問題是,葉片實際可利用效率的極限究竟在哪里?

 

如此本質的問題可從航空航天業得到深刻的啟迪。美國V22魚鷹的旋翼采用全三維旋翼氣動外形設計技術,這其中就包括了基于自由渦運動理論的非定常氣動載荷求解技術。值得注意的是,與固定翼飛機不同,直升機旋翼的流場與風機葉輪的流場更接近。與BEM理論相比,自由渦尾跡方法更接近物理實際,實際求解了尾渦的空間位置分布和強度分布,建立了葉片誘導速度徑向分布和尾渦分布的數學關系,具有更高的計算準確性,尤其是可以通過模擬葉片的渦流運動細節得到葉片非定常氣動載荷。遠景全球葉片團隊的研究顯示,在葉片處于最優葉尖速比時,自由渦方法可以避免傳統的BEM理論預測失效問題,獲得更準確的最優功率系數和最優葉尖速比。

“遠景全球葉片團隊將直升機旋翼設計中使用的自由渦尾跡方法應用到遠景自研葉片的設計中,當然也包括計算流體力學CFD技術和全三維葉片氣動、結構耦合優化等技術。”遠景美國全球葉片創新中心葉片設計專家、前GE葉片高級工程師Mohamad Sultan先生表示,有兩個維度的數據可以說明遠景葉片效率的突破:一個維度的數據是,葉片最佳捕獲段的氣動效率提升5%以上;另一個維度的數據是,遠景葉片改變了傳統葉片設計中對剛度制約的上限,測試結果表明葉片整體剛度提升了10%。

出于商業上的考慮,Mohamad Sultan 不愿意過多透露遠景葉片技術的設計細節,但是實際葉片在中國風場的運行還是引起了國內葉片制造廠商對遠景葉片技術的探究。

 

在射陽風場,一位精于葉片制造的專業人士看出了遠景121葉片氣動外形的不同。“利用自開發的先進數字仿真平臺,實現了這款葉片的二維及三維氣動設計,再通過多目標尋優實現了性能、載荷、重量以及噪音的最優設計。”遠景葉片測試與驗證專家、前美國新能源實驗室高級工程師Michael Desmond先生在向這位專業人士提及這款葉片的設計時說,“全球葉片風洞測試資源的整合利用,為這款葉片高效率翼型開發提供了數據支持。”

 

值得一提的是,遠景葉片翼型是針對中國風場特點的定制化設計,其抗污染、低噪音以及更優的氣動性能得益于和整機系統的協同開發、無縫對接,不僅實現了風機的最優發電性能,整機成本也下降了10%。

 

今年4月并網的遠景EN-131/2.2MW低風速智能風機的最優發電性能也詮釋了遠景葉片技術的優勢。遠景能源副總經理王曉宇博士解釋說,遠景全球葉片團隊為這款機型設計了非常適合低風速特點的葉片,葉片的氣動外形、結構設計是和整機系統同步開發出來的,加拿大國家風洞實驗室的驗證結果表明,這是一款高效的翼型設計,現場的實際運行表現符合設計預期。

 

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