一文读懂风电叶片技术

风电峰观察 2025-01-09

近些年，风电机组风轮直径持续增大，出于提高效率和降载的目的，业内对各种新型的叶片技术进行了研究。

1、气弹适应叶片

气弹适应叶片也被称为弯扭耦合叶片。这种设计旨在使叶片受载弯曲的同时，伴随产生显著的扭转变形进而降低攻角，降低载荷。这种叶片设计常见于GE、西门子等公司的叶片中。

2、涡流发生器（VG）

涡流发生器（Vortex Generator，简称VG）目前已广泛应用于航空、船舶等与流体相关的领域。VG是以某一安装角垂直地安装在翼型表面的小展弦比机翼，在迎风气流中可以产生高能量的翼尖涡，与下游的边界层流动混合后，使处于逆压梯度中的边界层流场获得能量，进而继续附着在翼型表面从而达到延迟分离的效果。VG常应用于叶根区域（展向长度30%以内）。

3、扰流器

根据动量叶素理论，最优的叶片外形设计要求叶根部有很大的弦长以捕获风能。然而在工程实际中，受结构方面的制约，大部分叶片的最大弦长均被大大削减。因此，叶根扰流器逐渐被广泛用于叶片上以弥补叶根部的风能捕获。下图展示了LM和西门子公司叶片上常见的几种扰流器。

4、翼刀

在航空领域中，后掠翼飞机机翼通过翼刀阻断边界层向翼尖的流动，确保飞行的安全。在风电机组叶片中引入了翼刀的设计，可在物理上阻断边界层向叶尖的流动，增加气动效率。下图是LM公司的一种带有翼刀的叶片。

5、锯齿后缘

随着风电机组安装越来越靠近居住区，风电机组噪声问题越来越受到重视。研究表明：风电机组的主要噪声来自于叶尖70%－95%区域；叶片的噪声主要来自后缘噪声。采用后缘锯齿设计可改变尾涡结构，进而减小了噪声的远场辐射。下图为其在西门子叶片上的应用实例。

6、叶尖小翼

叶片旋转运动时，由于压力差导致压力面气流绕过叶尖端面流入吸力面，既破坏了叶尖二维流动情况，同时会产生叶尖涡，导致叶尖噪声、叶片效率减小、疲劳载荷增加。采用叶尖小翼设计，可以重整通过叶尖流场的气流，有效地降低叶尖处诱导阻力，减少叶尖能量损失，从而提高原有风电机组的功率输出。下图为Enercon公司的采用叶尖小翼的叶片。

7、后缘襟翼

在飞机机翼中，通过后缘襟翼的收放来增大或减小翼型中弧线弧度，可以影响翼型的升力曲线。国外研究表明，采用后缘襟翼可以有效降低叶根部挥舞弯矩，但由于叶片在运行过程中挥舞方向的变形很大，而连接襟翼与叶片主体的铰链系统很难与其协调，而复杂的结构也给制造和维护带来不便。下图为一种带后缘襟翼控制叶片的机组。

8、叶片表面弹片

该技术通过配合叶片载荷监测技术，当发生阵风或载荷变化时，可在几毫秒内从叶片表面快速弹出一些小的弹片，对叶片表面的局部瞬间失速的气流进行分离，来达到降低叶片载荷的效果，避免叶片载荷传递至叶根甚至传动链。

9、表面吹/吸气流

翼型表面吹/吸气流技术是指通过对翼型边界层中吹入高速气流或吸走低速气流的方式重新为边界层附能，从而延迟流动分离的技术。但是传统的吹气或吸气机构很难在叶片内部安装，同时吹气或吸气系统的工作易受到风电机组运行环境如沙尘、冰冻的影响。因此，研究人员相继提出了等离子体激励器、环量控制翼型、合成射流等边界层流动控制技术。

本文内容来源于风电峰观察，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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