叶片前缘受损修复后风机发电效率提升的理论分析

　　由于叶片前缘损坏对流经叶片表面的气流影响很大，现通过气流流动状态表述、叶片前缘损坏后的叶片性能数值模拟计算以及发生性能变化的原因解析三个方面来解析此问题。
　　1.叶片表面气流流动
风机叶片是风力发电机最重要的部件之一，风机叶片的性能直接决定了风机性能。叶片是由一个个不同的翼型单元组合而成：衡量翼型性能的参数主要有三个：升力系数（Cl）、阻力系数（Cd）以及力矩系数（Cm），三者分别随着攻角以及雷诺数的变化而变化。在此，需要明确几个定义：
　　a)翼型：叶片沿弦长方向的横截面外形。
　　b)攻角：流来流方向与叶片翼型弦长方向的夹角。
　　c)雷诺数：表征流体流动状态的参数，为惯性力与粘性力之比，即Re=ρvd/η。其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度，对叶片来讲，即为叶片各个截面的弦向长度。
　　d)附面层：低粘性流体（水、空气等）沿固体表面流动时，在高雷诺数时，附着于固体表面的一层流体称为附面层。
　　在正常攻角范围内，翼型的升力系数和阻力系数会随着攻角的增大而增大，而力矩系数基本保持不变。超过一定的攻角（所谓临界攻角）后，翼型吸力面气流开始开始大面积分离，导致升力系数逐渐减小，阻力系数急剧增大。翼型开始下降。在设计风机叶片时，为了追求最大的功率系数（Cp），需要用升力系数和阻力系数的比值（即升阻比Cl/Cd）来进行设计。
　　气流在流经叶片翼型表面的过程中，依照攻角的不同，会在前缘位置形成驻点，理论上驻点处气流的流速为0，气流在驻点处分离成两股气流，一股流过叶片翼型压力面经后缘流入大气，另一股气流则流过叶片吸力面，从后缘流入大气。随着攻角的增大，驻点位置逐渐偏向叶片压力面，气流在吸力面的流通距离增加。低静压区的面积增大，叶片翼型的升力系数增大，阻力系数小幅增大。但同时翼型吸力面后缘部分由于气流分离所产生的涡流区也在不断扩大。当攻角增大到一定程度时，升力下降，阻力急剧上升，此时翼型及进入失速状态。上述为翼型性能随攻角变化的描述。
　　2.数据仿真计算
　　依照叶片前缘损坏后的外形，在数值模拟中对叶片前缘进行不规则的改变，来验证叶片前缘损坏后以及修补后性能的变化。下图二为计算时参考的叶片前缘损伤表征图：

                              图2 叶片前缘损伤表征图

为了验证叶片前缘损坏对风机叶片性能的影响，我们以NACA64XXX翼型为基准进行数值模拟，该翼型被广泛应用于风机叶片靠近尖部的区域，分别计算叶片翼型在前缘损坏前后的升力系数与阻力系数的变化。同时考虑到风机叶片翼型正常工作时攻角维持在4°~8°范围内，因此，数值模拟分析集中在此攻角范围内。具体数值模拟情况如下表1：

 表1 前缘损坏前后升力系数与阻力系数变化
　　由上述表格中我们可以看出在攻角4°~8°范围内，4°攻角下，前缘损坏前后，升力系数和阻力系数几乎不变。在攻角为5°~8°时，前缘损坏后的翼型升力系数较损坏前下降，阻力系数上升，且随着攻角的增加，性能下降的更为明显。在攻角为8°时，升力系数下降了3.7%，阻力系数上升了25.6%，升阻比几乎下降了25%。