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如何正确认识及定位叶片涡流发生器技术?

2016-12-16 11:39:53来源:CWPI无锡风电浏览: 评论:0

  如何正确认识及定位VGs技术?

  修复受侵蚀的叶片

  Roper Partner研发中心的Chris Bley认为:“前缘侵蚀是导致翼型性能下降的最大问题,当你能从地面上看到叶片发生了侵蚀时,叶片性能往往已经受到比较大的影响了。”侵蚀能够穿透表面漆深入到玻璃纤维材料里面,当严重到能在远处看出来的话,就已经不是简单修复能够解决的问题了。Bley说,近距离观察能看到叶片表面有许多细小的裂缝和分层,这在地面上是看不出来的,在寒冷的天气里,水会渗进这些裂缝然后结冰,使之进一步扩大,因此防止叶片发生严重问题的关键在于及早发现表面问题并及时修复。

  维护的第一步

  “维护公司应该能够识别问题并提出解决方案,使性能能够有预期的提升,” Rob Kamisky说,“我们咨询公司会帮助业主寻找出性能下降的可能。”同时也可能需要Rob的团队对叶片进行检查,看叶片的状态有没有问题,一旦诊断完成,就可以提出一个解决方案。例如叶片需要加强、改进,或者就是用涂料、UD布等对叶片前缘进行修复和保护。

  设备制造商可能会提供一些叶片改进方案,如Spoiler或者Dynofin,有人认为锯齿状边缘可以改善气流。 附图显示在叶根附近有一个鼓包或者鳍一样的东西,这就是Spoiler,一些叶片制造商用这个来改善空气动力特性,增加输出功率。

  涡流发生器

  一种来自航空工业概念——涡流发生器(Vortexgenerators,VGs)能够恢复叶片性能,受到了风力机行业的广泛关注。VGs从1940年代开始得到应用,现代的客机机翼上依然能看到它的身影,有的看起来像小的矩形,沿着机翼的展向布置。当应用在风力机上的时候,总的来说涡流发生器能够为风力机带来更高的能量输出。

  在过去的20年里VGs一度被应用到风力机上并取得了不同程度的成功,能够有效抑制流动分离。Kamisky解释说气流通常沿着翼型表面附着流动,但也会在某些点发生分离,并且分离后的流动状况很难预测。涡流发生器通过带动高能流动区域的能量进入边界层内的低能区域,使流体能量重新分布、抑制了流动分离。Kamisky说这能够减少由于气流分离带来的性能损失,“但是必须在安装涡流发生器之前考虑其对风力机的载荷和性能影响”。

  Bley的团队有时会承担为叶片安装涡流发生器的任务,“我们负责安装和维护VGs,比如有时候叶片上结的冰掉了,VGs也有可能跟着一起掉下来”他说。

  RopePatner 与WINDprove这样的公司合作, 后者在涡流发生器的设计以及位置确定方面研究得更深入。设计公司提供分析来指导如何提高翼型效率,他们知道涡流发生器该用多大的尺寸、设计外形及安装位置,Rope Patner则以一个安全、快速、经济的方式来实施安装。Bley认为涡发生器的安装位置很重要,并且一定要保证粘贴到位。但是由于叶片表面是曲面,并且沿展向前缘的曲率不同,这项工作也不容易。“这是一个相当大的挑战,因为安装位置的允许误差相当小,”他说。安装涡流发生器需要的时间取决于安装的范围,但通常情况下一天能够装两只叶片。

  尽管涡发生器在功率提升方面很有潜力,但还是需要谨慎对待。“涡流发生器仍然是一个研究型的项目,”加利福利亚大学机械和航天工程系主任Casevan Dam说,“涡流发生器很难在风力机上统一量化,因为它们的效果和机组的类型甚至安装位置都有关系。” 叶片制造商LM公司宣称涡流发生器能够提高4%—6%,有一家业主已经在他的1.5兆瓦机组上安装了许多涡流发生器,但是数据还在收集当中。“涡流发生器的实验还是不能掉以轻心,”他说,“这可能会很耗时间,并且安装位置的小小差别也可能显着地影响其效果。”

  VanDam和他的团队也在和Sandia 国家实验室一起进行先进叶片的设计,整个项目包含了风洞实验和CFD模拟,因此Van Dam关注了不少叶片上的空气动力学概念,例如涡流发生器、片条和格栅等等。他说现在工作人员的工作更加细致了,并不仅仅是往叶片上添加一些东西,而是先基于已经公开的数据进行分析,然后进行风洞实验和CFD模拟。

  VanDam认为将涡流发生器安装到新的干净叶片上需要谨慎,因为有可能会导致输出功率的下降,但是如果叶片表面受到污染或侵蚀,气动性能发生改变,恶化到发生流动分离,涡流发生器则是一个减少流动分离的简单方法。

  另外还关系到气动噪声的问题。“流动分离产生更多的噪声,因此涡流发生器能够降低噪声,”Van Dam说,“不幸的是,行业里像西门子或者其他VGs用户是基于什么样的分析来指导这些改进的,他们对这些谈论得很少,所以你只能挠挠头问‘为什么他们装这些?’一些公司装上了,但是发现效果不明显,就这么留在上面了,还迷惑了竞争对手。”

  涡流发生器并不是唯一引起广泛讨论的概念,“大约一年以前每个人都在想给叶片加装翼尖小翼,但后来就不怎么谈了,”Van Dam说,“有时行业内的人看到了新概念时会想,‘好吧,如果竞争对手这么做,我们也得超过去。’” 他也看到了叶片翼型设计的变化——获得更多的气动性能的同时使翼型对污染和侵蚀不敏感。而当气动性能显着下降时,涡流发生器才能够减轻性能损失。

  涡发生器,并不是叶片设计领域的最后一个概念,智能叶片这个概念正在发展,装着载荷传感器和主动控制面、能够在任何风速下最大限度的捕捉风能——这些也只是叶片团队以后面临的众多挑战之一。

 

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