基于相似理論的1.5MW 風力發電機葉片模型的設計

陳松利 李 明 萬大千

（內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特010018）

隨著氣候條件的惡化和潔凈能源開發和利用，促進了風力發電行業的迅速發展,甘肅、新疆及內蒙古中西部地區是我國風資源最豐富的地區之一，我國大型風電場主要分布在這些區域，這些地區也是沙塵暴高能活動區域，風力發電機葉片在風沙環境中運行時會受到挾沙風的沖蝕，導致前緣涂層遭受破壞，難以保持良好的氣動外形，影響發電量，并且降低了葉片使用壽命，同時也增加了葉片的維護成本[1-2]。

因此，其研究主要集中在對風沙環境中對葉片的沖蝕問題。為了全面掌握大風機葉片在風沙環境中沖蝕磨損情況及對翼型氣動性能變化規律和機理，需要設計大型風力機葉片相似模型，進行測試試驗，為開發適合高風沙惡劣環境下葉片翼型設計提供一定依據。

1 相似理論

由流體力學相似原理可知，當幾何相似和物理相似均可滿足的條件下，兩個流動的若干無量綱數只要對應相等，則可保證二者相似[3-5]。

風力發電機實驗模型葉輪與原型機組相似是指在模型機葉輪試驗過程中，當空氣流經模型葉輪時與原型機葉輪流動相似，其空氣的能量傳遞過程與原型機也相似。

2 風力機相似條件

風力機相似條件的推導，先做如下假設：

V1、V1m——風力機實物與模型前方來流風速；

V2、V2m——風力機實物與模型的下游風速；

V、Vm——風力機實物與模型的風速；

U1、U1m——風力機實物與相似模型葉片葉尖處的圓周速度；

U、Um——風力機實物與相似模型葉片某半徑處的圓周速度。

如果實物和模型相似，則存在以下關系式：

由上式可得出：

設r 為風力機實物任意半徑；rm為模型任意半徑；I 風力機實物任意半徑處葉素的傾角；Im為模型任意半徑處葉素的傾角，則：

而

根據式（4）（5）（6）則有：

式（1）（2）（7）說明：

（1）相似模型和原型機風輪各對應出的葉素傾角相等；

（2）如果忽略葉素表面粗糙度的影響和雷諾數的影響，則實物和模型的葉片升力系數和阻力系數也相等。

（3）相似模型與實物葉片具有方向相同，大小對應成比例的受力條件。

3 1.5MW 葉片模型設計

3.1 相似模型

由于目前風電場服役的主流機型以1.5MW 發電機組為主，因此，本次研究對象原型為1.5MW 機組，對該機組葉片進行風沙環境下沖蝕磨損試驗。

由于葉片外形尺寸限制，根據目前現有的實驗條件很難實現，因此，設計并加工一個與1.5MW 葉片具有氣動外形相似、結構簡單的模型葉片，用來進行風沙環境下沖蝕磨損試驗研究是十分必要的。

相似模型，是指將某種物理現象的長度、時間、力、速度等縮小或擴大來進行實驗的裝置，它和不滿足這種條件的模型，科學意義大不相同[6-8]。

設計相似模型的目的是要用模型實驗來模擬并代替原型實驗。

對于1.5MW 風力機葉片相似模型來說，就是希望用原型葉片的相似模型進行風沙沖蝕磨損實驗，來模擬原型葉片的實驗，得到原型葉片前緣實際在風場中受風沙磨損情況。

3.2 1.5MW 葉片相似模型的設計

根據實驗條件，模型葉片的實驗采用100W 發電機和相應裝置。

由幾何相似定義，在進行葉片模型設計時，只要保證葉片模型的邊長與風場原型機葉片對應邊長比例系數按同一尺度選取。

根據：

就可以得到模型的對應邊長。

式中，kl- 尺度比例系數；lp- 原型葉片長度，m；lm- 模型對應葉片長度，m。

取尺度比例系數kl=1/38.5，葉片半徑、弦長、厚度都按此比例系數縮小后成為1.5MW 模型葉片的外形，模型葉片長度為0.82m[8-11]。

根據葉片模型設計及葉片展向方向布置，選取NREL-S813、NREL-S814、NREL-S830、NREL-S831、和NREL-S 832 5 種翼型[7]。

3.3 1.5MW 葉片相似模型制作

根據1.5MW 模型葉片各截面設計參數加工制作作為試驗用葉片。

由于現有大風機葉片普遍使用的環氧樹脂- 玻璃纖維復合材料，1.5MW 試驗用葉片模型基材仍然選用環氧樹脂- 玻璃纖維復合材料，在實驗室手工鋪放制作，再按照葉片的涂層工藝進行聚氨酯噴涂，涂層厚度控制在1mm，1.5MW 模型葉片如圖1 所示。

圖1 1.5MW 試驗用模型葉片

4 結論

為了進一步研究大型風力發電機葉片在風沙環境中沖蝕磨損機理，為研發適合高風沙惡劣環境下的葉片提供一定的理論依據，本文以1.5MW 風力風電機為原型機，利用相似理論設計了1.5MW 風力風電機葉片模型作為試驗葉片，模型葉片的實驗采用100W 發電機和相應裝置，通過測試分析，該葉片模型能夠滿足試驗需要。