摘要：早期安装的风电机组，由于设计技术尚未成熟，多存在机型与叶片不匹配、风环境参数与机型不匹配的情况，导致机组出功不足、风电场成本回收期较长，因此，很多风电场业主提出对在役机组进行增功的需求。目前，针对风机电量提升的技改主要包括控制策略优化、叶片延长、增功元件，上述三种方法尤以叶片延长的电量提升最为可观，但该项技术的风险也较大，目前部分风场已经进行了小批量技改工作，并未大批量推广应用。本文以叶片叶尖延长为例，着重从叶片延长后电量提升情况、叶片延长前后载荷变化以及不同风环境下叶片载荷变化等几个方面对叶尖延长的可行性进行了评估分析，旨在为叶片叶尖延长技术的推广应用提供一定的理论依据。
关键词：风电叶片；叶尖延长；电量提升；载荷对比
引言
早期安装的风电机组，由于设计技术尚未成熟，多存在机型与叶片不匹配、风环境参数与机型不匹配的情况，提高其发电量是加快风场成本回收和提升经济效益的主要途径。目前国内主流的机组电量提升方法包括控制策略优化、叶片延长、增功元件。上述三种方法尤以叶片延长的电量提升最为可观，叶片延长又分为叶根延长和叶尖延长，由于叶根延长后叶片的重量增加几百公斤甚至达到一吨左右，施工困难，延长长度不能较长，不被业界看好，安装样机的风场很少；相比之下，叶尖延长的优势更为明显，延长叶尖的重量较小，安装简便，不需要将原始叶片吊装到地面进行施工，施工成本低，延长节的长度可达到2m，甚至更长，发电量提升客观，低风速区年发电量增加约8-10%。目前该项技术已经在很多风场进行了样机安装，有些风场已经实现了小批量的安装。以某风场82机组为例，其匹配叶片为40.3m，当地电价为0.61元/kWh，年平均风速为4.8m/s，将匹配叶片叶尖延长1.5m后，电量提升约7.6%，若技改成本30万，2.4年即可回收成本。因此叶片叶尖延长市场前景良好，但由于该项技术尚未完全成熟，未能大批量推广应用。需要增功技改的风场，大多设计风环境参数比实际风场的大，如湍流强度、年平均风速、空气密度，使得叶片匹配的长度较短，机组及叶片的强度较富裕，适合对叶片叶尖进行延长技改。延长叶尖后需要评估叶片的电量提升、叶片的强度及机组各零部件的强度。本文以叶片叶尖延长为例，着重从叶片延长后电量增加情况、叶片延长前后载荷变化以及不同风环境下叶片载荷变化等几个方面对叶尖延长的可行性进行了评估分析，旨在为叶片叶尖延长技术的推广应用提供一定的理论依据。
1 叶尖延长后电量提升情况
目前，出功不足的机组多发生于77机组、82机组及88机组。本文以某风场的77机组为例，匹配了两款37.5m的叶片，两款叶片的外形不相同。由于该机组强度富裕以及风环境参数偏弱，因此，依据以往的设计经验，将两款叶片的长度分别延长了2m，对延长节的弦长、扭角、相对厚度、预弯等几何参数进行几何光顺，确保其与原叶片的光顺过度。延长后两款叶片的局部弦长、发电量对比如图1、图2、图3所示。
从两款叶片的外形和年发电量对比可以看出，延长节起始弦长大的年发电量增加多，以年平均风速5m/s为例，样片1增加8.1%，样片2增加9.7%。因此，叶片的长度相同弦长不同，延长相同的长度后叶片的电量提升不同。因此，延长后叶片电量的提升幅度与原始叶片的气动外形密切相关。
2样片2延长后载荷变化情况
以样片2为例，在相同的风环境条件下，即相同的年平均风速、极限风速、湍流强度、空气密度等，本文对其延长前后载荷的变化情况进行了评估分析。
2.1疲劳载荷变化情况
图4、图5为样片2延长2米后的疲劳载荷增加情况，从图中可以看出样片2延长后挥舞弯矩和摆振弯矩沿叶片长度方向有不同程度的增加。0-25m范围载荷增加的幅度小，25m-叶尖载荷增加的幅度较大，这是由于靠近叶尖方向载荷基数较小。一般情况，靠近叶尖区域的疲劳强度富裕，安全系数较大，采用该载荷校核叶片的疲劳，延长后叶片的强度能够满足要求。
2.2极限载荷变化情况
图6、图7为样片2延长2米后的极限载荷增加情况，从图中可以看出样片2延长后挥舞弯矩增加幅度较大，摆振弯矩增加幅度较小。沿叶片长度方向极限载荷的增加幅度逐渐增加，而叶片叶尖区域的静强度安全系数非常富裕，经校核延长后叶片的静强度能够满足要求。
3风环境对载荷的影响
由于需要做延长技改的机组，其风环境往往比原叶片的设计风环境弱，因此，计算延长后叶片的载荷需要基于机组当地的实际风环境评估载荷。实际的风环境参数较弱，如年平均风速、湍流强度等。本文以样片1为例讨论了不同的年平均风速、湍流强度对疲劳载荷的影响。
3.1湍流强度对载荷的影响
图8、图9为样片1延长2m后不同湍流强度下疲劳载荷及对比。从图中可以看出，随着湍流强度的减小，疲劳摆振弯矩和挥舞弯矩都有所降低，湍流强度从0.18降到0.16，摆振弯矩降低的幅度为3%-7%，挥舞弯矩降低的幅度为6.5%-8%；湍流强度从0.16降到0.14时，摆振弯矩降低的幅度为3-11%，挥舞弯矩降低的幅度为8%-10%。因此，当叶片处于的风环境湍流强度较小时（比设计值小），叶片疲劳载荷会大幅减小，有利于做叶片延长技术改造。
3.2 年平均风速对载荷的影响
图10、图11为样片1延长2m后不同年平均风速的疲劳载荷及对比。从图中可以看出，随着年平均风速的减小，疲劳摆振弯矩和挥舞弯矩都有所降低，年平均风速从8.5m/s降到7.5m/s，摆振弯矩降低的幅度为1%-3.8%，挥舞弯矩降低的幅度为5%-6%；年平均风速从7.5m/s降到6.5m/s时，摆振弯矩降低的幅度为1-3%，挥舞弯矩降低的幅度为5.8%-7%。因此，当叶片处于的年平均风速较小时（比设计值小），叶片疲劳载荷会大幅减小，有利于做叶片延长技术改造。
4 结论
本文以37.5m的两款叶片为例，分析了叶尖延长后电量的提升情况、叶尖延长前后的载荷对比以及不同风环境参数下叶片载荷的变化情况，为叶尖延长前期技术评估提供了理论依据。本文仅从气动外形及载荷方面探讨了叶尖延长的可行性，叶尖延长还涉及到了其他方面的一系列技术问题，如延长后叶片的结构设计[1]、叶片各项强度指标[2]、安装方案[3][4]等，其中的难点业界正在逐步的形成成熟的解决方案，有望1-2年内可实现叶尖延长技改的大批量推广应用。
参考文献：
[1]赵春妮，吴映芳，张立新，朱英伟. 一种风轮叶片腹板翻边结构：中国，201720334222.6[P]. 2017 .03 .31
[2]DNV·GL2015. Rotor blades for wind turbines[M].2.5：Verification analyses[S].
[3]钟瑶冰，姜明渊，王肖虎.叶片延长方法、叶片和风力发电机组：中国，201610383465 .9[P]. 2016.10.26
[4]张立新，朱英伟，吴映芳，赵春妮. 一种风电叶片维修的加热、加压装置：中国，201720340528 .2[P]. 2018.01.19
论文作者:吴映芳,赵春妮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：叶片论文; 载荷论文; 弯矩论文; 风速论文; 强度论文; 电量论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第13期论文;