风电机组气动设计中的若干问题探讨

　　1引言
　　风电机组工作在复杂的气候和地理环境下，气动设计决定了风电机组的气动载荷和发电量，因此气动设计在风电机组设计流程中至关重要。水平轴风电机组的气动设计主要目的是设计叶片几何外形（包括叶片个数、弦长及扭角分布、截面翼型形状等），目的是在获得最佳功率系数和最大年发电量，同时降低叶片载荷。而这三个目的有时会发生矛盾，特别是对于失速型风电机组，工作在最大功率系数的时间极其有限，从而在追求最大功率系数的目的时可能不会达到年发电量最大的要求。
　　风电机组叶轮设计中，关键设计参数会严重影响设计结果。Christian Bak 对影响叶轮功率系数与载荷的关键因素进行了研究，讨论了叶尖速比、雷诺数、粗糙度等关键因素对功率系数的影响。Ali Vardar 和Ilknur Alibas 采用NACA系列翼型，设计了180 种不同扭角、安装角、叶片数目的风轮组合，从而探讨风轮转速、功率系数与这些因素的关系。目前，讨论这方面的文献并不多，且大多是针对尺寸小的风轮。本文将重点讨论变桨变速风电机组关键设计参数的选择。
　　2 风电机组气动设计参数选择
　　风电机组设计中，各个参数的选择体现了设计者的不同意图，同时参数选择也要遵循一定的规律。目前介绍这方面内容的文献很少，本节在这里着重分析风电机组参数的确定方法和一些基本依据。
　　现代水平轴风电机组通常选择三个叶片的叶轮，多是出于叶轮动力学、发电质量和美观等角度考虑，额定功率则根据制造商自己的设计需求而定。额定风速是风电机组设计中的重要参数，它通常与设计的风区、风轮直径、叶片气动特性等相关。确定所设计的风电机组的工作风区是设计风电机组的前提。IEC 标准将风电机组按照风区分为四类，标准1、2、3 级风电机组和S 级风电机组。设计者应根据所处风场的实际情况选择风电机组的等级。下面将重点讨论几个设计参数选择及其影响。　　
　　2.1 设计叶尖速比
　　在风电机组的设计中，设计叶尖速比λD 是非常重要的设计参数。如果设计叶尖速比λD 很低，比如λD=1，此时旋转气动损失比较大，功率系数会很低。本文根据相关气动理论，绘制了针对不同升阻比情况下的三叶片风电机组的功率系数随设计叶尖速比的关系图，如图1 所示。从中可以看出存在最佳的叶片设计升阻比使叶轮效率最高。现代大型并网风电机组设计点处叶片翼型的升阻比一般很高，甚至会超过100，此时设计叶尖速比通常在6 ～ 10 之间，这样能够保证获得较高效率。