远景叶片带来哪些效率突破?

认知远景叶片带来的效率突破之前,还是先来了解1935年格朗特提出的叶素动量理论(BEM)为什么无法满足先进叶片设计需要的问题。

认知远景叶片带来的效率突破之前,还是先来了解1935年格朗特提出的叶素动量理论(BEM)为什么无法满足先进叶片设计需要的问题。

从本质上讲,BEM理论将风轮绕流假设为二维定常的流场,而实际上风轮绕流是全三维非定常的流场。专业人士知道,BEM理论基本方法和模型已经告诉人们,在较高叶尖速比条件下,由于风轮尾涡螺距变小,叶片的诱导速度分布十分复杂,BEM理论基于独立平衡流管假设的计算准确性,会随着叶尖速比升高而下降,直到不适用。

那么,由格朗特修正经验公式推导而来的叶片气动效率Cp值的利用上限很可能被低估了。可问题是,叶片实际可利用效率的极限究竟在哪里?

 

如此本质的问题可从航空航天业得到深刻的启迪。美国V22鱼鹰的旋翼采用全三维旋翼气动外形设计技术,这其中就包括了基于自由涡运动理论的非定常气动载荷求解技术。值得注意的是,与固定翼飞机不同,直升机旋翼的流场与风机叶轮的流场更接近。与BEM理论相比,自由涡尾迹方法更接近物理实际,实际求解了尾涡的空间位置分布和强度分布,建立了叶片诱导速度径向分布和尾涡分布的数学关系,具有更高的计算准确性,尤其是可以通过模拟叶片的涡流运动细节得到叶片非定常气动载荷。远景全球叶片团队的研究显示,在叶片处于最优叶尖速比时,自由涡方法可以避免传统的BEM理论预测失效问题,获得更准确的最优功率系数和最优叶尖速比。

“远景全球叶片团队将直升机旋翼设计中使用的自由涡尾迹方法应用到远景自研叶片的设计中,当然也包括计算流体力学CFD技术和全三维叶片气动、结构耦合优化等技术。”远景美国全球叶片创新中心叶片设计专家、前GE叶片高级工程师Mohamad Sultan先生表示,有两个维度的数据可以说明远景叶片效率的突破:一个维度的数据是,叶片最佳捕获段的气动效率提升5%以上;另一个维度的数据是,远景叶片改变了传统叶片设计中对刚度制约的上限,测试结果表明叶片整体刚度提升了10%。

出于商业上的考虑,Mohamad Sultan 不愿意过多透露远景叶片技术的设计细节,但是实际叶片在中国风场的运行还是引起了国内叶片制造厂商对远景叶片技术的探究。

 

在射阳风场,一位精于叶片制造的专业人士看出了远景121叶片气动外形的不同。“利用自开发的先进数字仿真平台,实现了这款叶片的二维及三维气动设计,再通过多目标寻优实现了性能、载荷、重量以及噪音的最优设计。”远景叶片测试与验证专家、前美国新能源实验室高级工程师Michael Desmond先生在向这位专业人士提及这款叶片的设计时说,“全球叶片风洞测试资源的整合利用,为这款叶片高效率翼型开发提供了数据支持。”

 

值得一提的是,远景叶片翼型是针对中国风场特点的定制化设计,其抗污染、低噪音以及更优的气动性能得益于和整机系统的协同开发、无缝对接,不仅实现了风机的最优发电性能,整机成本也下降了10%。

 

今年4月并网的远景EN-131/2.2MW低风速智能风机的最优发电性能也诠释了远景叶片技术的优势。远景能源副总经理王晓宇博士解释说,远景全球叶片团队为这款机型设计了非常适合低风速特点的叶片,叶片的气动外形、结构设计是和整机系统同步开发出来的,加拿大国家风洞实验室的验证结果表明,这是一款高效的翼型设计,现场的实际运行表现符合设计预期。

 

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