風力發電葉片加長改造分析及研究

黃有慧，楊瑞志

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

近年來，隨著國內風電市場的快速發展，新機型不斷出現，通過加大風輪葉片長度來增加掃風面積，增加低風速下的發電效率，已經成為風電行業當今的發展趨勢。對于葉片廠家來說，如何在原有型號葉片模具上進行改造加長，更新加長產品成為關鍵[1]。對于業主已經投運的風機，如何在高空進行葉片加長改造，提高低風速發電效率成為重點。如何對老型號葉片進行有效的改造尤為重要，葉片加長改造不但要保證葉片本身運行的安全性，還要保證風電機組在葉片加長、加重之后的承載能力[2]。本文主要針對不同的方式改變或加長 1.5MW 葉片后相關參數的變化進行對比分析及研究。

1 氣動外型研究

1.5 MW葉片加長包括3種方案：將43.5m的葉片葉根增長2m，得到45.5m 葉片；將43.5m的葉片葉尖增長2m，得到45.5m葉片；將45.5m葉片的葉根節圓直徑由 2110mm改為 1800mm，用于1.5MW機組。本文分別按照這3種方案對葉片進行改造，并對改造后葉片參數變化進行分析。

1.1 方案1：43.5m葉片葉根加長

將43.5m葉片在最大弦長位置(8m)分為2段，見圖 1。將 8～43.5m 段朝葉尖方向平移 2m，則原8m位置成為新葉片的10m位置；0～8m段不變，然后將 8～10m段補完整，保證與原葉片光滑過渡。相對厚度、扭角、變槳軸等參數基本不變。

圖1 方案1葉片弦長與43.5m葉片弦長對比Fig.1 Comparison of chord length between scheme 1 and 43.5m blade

1.2 方案2：43.5 m葉片葉尖加長

保持 43.5m葉片的 0～39m段不變，將葉片加長至 45.5m，見圖 2。以葉尖為基準，對比 3種葉片的弦長，見圖3，本方案的弦長比45.5m小。

圖2 方案2葉片弦長與43.5m 葉片弦長對比Fig.2 Comparison of chord length between scheme 2 and 43.5m blade

圖3 以葉尖為基準方案1、2葉片弦長與43.m弦長對比Fig.3 Comparison of tip chord length between schemes 1, 2 and 43.5m blade

1.3 方案3：45.5 m葉片葉根外徑修改

修改45.5m葉片 0～8m弦長分布，將葉根圓柱段節圓直徑由 2110mm 改為 1800mm，與 1.5MW機組匹配，見圖 4，8m 以上位置弦長不變。相對厚度、扭角、變槳軸等做局部調整，保證葉根幾何外形光順。

圖4 方案3葉片弦長與 45.5m 葉片弦長對比Fig.4 Comparison of chord length between scheme 3 and 45.5m blade

2 氣動性能分析

分別計算3種加長方案葉片以及43.5m葉片的氣動性能(表1)，其中Cp考慮了仰角和錐角，年發電量按照Ⅲ類風區，可用率為95%(考慮了損失)。

表1 氣動性能對比Tab.1 Aerodynamic performance comparison

3 重量與載荷分析

3.1 重量

葉片加長和修改時，假定原鋪層方案不變，對43.5m葉片只增加 2m段的重量，對 45.5m葉片按弦長減小比例、減少重量，根據經驗估算葉片重量(表2)。由于43.5m葉片、葉根段表面積大于葉尖段，8m位置的質量線密度為葉尖區域的5倍以上，方案1增加的重量預計為方案2增加重量的5倍左右。

表2 葉片重量估算Tab.2 Estimation of blade weight

3.2 載荷

由于葉片的結構無法確定，只計算了葉片穩態運行載荷(表3)。

表3 穩態運行載荷計算Tab.3 Calculation of steady-state operating load

4 總 結

3種方案的葉片弦長見圖 5，葉片技術參數對比見表4，可以得出如下結論。

①方案3的弦長最大，因此穩態葉根載荷和重量也最大，年發電量比方案1和方案2僅多4萬kW·h。相比改造成本和技術要求都高，因此不建議選用方案3。

②雖然方案1比方案2的Cp-max小，但是弦長大，所以這2種方案的發電量相當，均比43.5m葉片大25萬kW·h。考慮到方案2的弦長小，穩態葉根載荷和重量最小，相比改造成本和技術要求都低。

圖5 各種方案葉片弦長對比Fig.5 Comparison of chord length

表4 各種方案葉片技術參數對比Tab.4 Comparison of blade technical parameters

由以上結論可以看出，風電葉片加長改造的最優方式應為加長葉尖。加長葉尖相比原葉片弦長變化最小，同時相對的穩態葉根載荷和重量也最小，因此葉尖加長改造相對容易，成本也最低[3]。另外，從改造后的效率和發電量上看差距也并不明顯，全年發電對比相差在 0.1%以內，改造后的經濟效益同樣能達到最優[4]。