圖1 3葉片風電機組功率系數與設計葉尖速比的關系

圖2 不同設計葉尖速比的葉片弦長分布
當設計葉尖速比提高時,葉尖速度也會增加,噪聲就會隨之增加。通常認為噪聲強度與設計葉尖速比的5 次方成正比。鑒于此,一般認為風電機組的葉尖速度不能超過某一最大速度,例如78m/s,故存在一個最佳運行的最高風速vopt=78/λD,在vopt 與額定風速vr 之間風輪運行在非設計點。
設計葉尖速比對葉片弦長有很大的影響。在相同風輪直徑的條件下,設計葉尖速比大,弦長小;反之,設計葉尖速比小,葉片弦長寬。對于大功率的風電機組而言,葉片弦長過寬會給葉片運輸和制造等帶來困難,同時可能會增加風輪的重量載荷。圖2 顯示的是在升力系數為1.1 的單翼型葉片設計中,設計葉尖速比取5.91 和7 時的弦長分布對比。從圖中可以看出,設計葉尖速比為5.91 的葉片弦長偏大,在葉片半徑17.5m 以內的葉片弦長都超過了4m,給運輸帶來了困難,需要修正的葉根處甚至接近葉片長度的1/2; 同時弦長過寬葉片成本也會增加。而設計葉尖速比為7的葉片弦長要小很多。因此,對于較大風輪直徑的風電機組,設計葉尖速比不能選得過低。
2.2 多翼型設計
在風電機組葉片設計中通常根據葉片截面的位置選擇不同的翼型,目的是在保證結構強度的條件下獲得最佳的氣動性能。
考慮到強度要求,沿著葉片展向可選不同的翼型。葉尖處是葉片能獲取風能最多的部位,故選擇升阻比高的薄翼型,同時翼型應具備良性的失速特性、表面粗糙度靈敏度低、低噪聲的特點;中部選擇較厚且氣動性能優良的翼型;在葉根處則要重點考慮強度及與輪轂的連接,故選擇更厚的翼型。
另外,要求葉片各個部位在幾何上要有連續性,在外形上不能出現突變。從葉尖到葉根,所選擇的翼型應從具有一定彎度到彎度為零單調變化,厚度也應單調增加,彎度位置單調變化,最大厚度位置保持30%左右到50%的增加。同時,設計點處的翼型攻角不能相差太大。這些要求的目的是保證葉片在幾何上的連續性,并為葉片的加工制造創造便利條件。
失速后的翼型氣動數據較為缺乏。文獻[8] 對Gedser200kW 風電機組的實測數據與利用Viterna-Corrigan 失速后模型的計算數據進行了比較,結果吻合較好。失速后的翼型氣動特性數據可以通過Viterna-Corrigan 失速后模型來獲得。該模型定義為:當
時
