葉片前緣保護對于機組性能的影響研究

　　二、葉片前緣受損修復后風機發電效率提升的理論分析
由于葉片前緣損壞對流經葉片表面的氣流影響很大，現通過氣流流動狀態表述、葉片前緣損壞后的葉片性能數值模擬計算以及發生性能變化的原因解析三個方面來解析此問題。
　　1.葉片表面氣流流動
風機葉片是風力發電機最重要的部件之一，風機葉片的性能直接決定了風機性能。葉片是由一個個不同的翼型單元組合而成：衡量翼型性能的參數主要有三個：升力系數（Cl）、阻力系數（Cd）以及力矩系數（Cm），三者分別隨著攻角以及雷諾數的變化而變化。在此，需要明確幾個定義：
　　a)翼型：葉片沿弦長方向的橫截面外形。
　　b)攻角：流來流方向與葉片翼型弦長方向的夾角。
　　c)雷諾數：表征流體流動狀態的參數，為慣性力與粘性力之比，即Re=ρvd/η。其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數，d為一特征長度，對葉片來講，即為葉片各個截面的弦向長度。
　　d)附面層：低粘性流體（水、空氣等）沿固體表面流動時，在高雷諾數時，附著于固體表面的一層流體稱為附面層。
　　在正常攻角范圍內，翼型的升力系數和阻力系數會隨著攻角的增大而增大，而力矩系數基本保持不變。超過一定的攻角（所謂臨界攻角）后，翼型吸力面氣流開始開始大面積分離，導致升力系數逐漸減小，阻力系數急劇增大。翼型開始下降。在設計風機葉片時，為了追求最大的功率系數（Cp），需要用升力系數和阻力系數的比值（即升阻比Cl/Cd）來進行設計。
　　氣流在流經葉片翼型表面的過程中，依照攻角的不同，會在前緣位置形成駐點，理論上駐點處氣流的流速為0，氣流在駐點處分離成兩股氣流，一股流過葉片翼型壓力面經后緣流入大氣，另一股氣流則流過葉片吸力面，從后緣流入大氣。隨著攻角的增大，駐點位置逐漸偏向葉片壓力面，氣流在吸力面的流通距離增加。低靜壓區的面積增大，葉片翼型的升力系數增大，阻力系數小幅增大。但同時翼型吸力面后緣部分由于氣流分離所產生的渦流區也在不斷擴大。當攻角增大到一定程度時，升力下降，阻力急劇上升，此時翼型及進入失速狀態。上述為翼型性能隨攻角變化的描述。
　　2.數據仿真計算
　　依照葉片前緣損壞后的外形，在數值模擬中對葉片前緣進行不規則的改變，來驗證葉片前緣損壞后以及修補后性能的變化。下圖二為計算時參考的葉片前緣損傷表征圖：

圖2 葉片前緣損傷表征圖

　　為了驗證葉片前緣損壞對風機葉片性能的影響，我們以NACA64XXX翼型為基準進行數值模擬，該翼型被廣泛應用于風機葉片靠近尖部的區域，分別計算葉片翼型在前緣損壞前后的升力系數與阻力系數的變化。同時考慮到風機葉片翼型正常工作時攻角維持在4°~8°范圍內，因此，數值模擬分析集中在此攻角范圍內。具體數值模擬情況如下表1：