对某2.0 WM机型叶片进行叶尖小翼应用的气动特性研究,对比分析了不同叶尖小翼设计方案对风轮推力和轴端功率的影响。对带叶尖小翼的叶片W4设计方案,进一步探究了风轮的推力和功率输出,同时对比研究了有无叶尖小翼叶片叶尖区域的表面压力分布、迹线和速度矢量分布情况。结果表明:所设计的8种叶尖小翼方案均能提高风轮的轴端功率输出,增量范围在1.6%~2.3%,同时风轮承受推力也会不同程度增加。不同的翼尖扭角和弯曲半径设置对叶尖小翼的气动性能有一定的影响。叶尖小翼朝向吸力面弯曲比朝向压力面弯曲具有更好的气动特性,风轮输出功率更高,带叶尖小翼的叶片方案W8对应最高的平均风轮轴向功率提升2.25%。

随着陆上风电和海上风电的叶片越来越趋向于大型化,减小叶片载荷和质量,提高叶片气动性能成为十分重要的设计内容。叶片越长,叶片变形对叶片性能的影响也越大,因此采用叶尖挥舞方向变形对叶片性能进行评估,基于叶素-动量理论,实现气动与结构的耦合设计,缩短叶片设计周期。以5.8 MW、85 m叶片为例,叶片挥舞方向变形为14.5 m,符合设计要求。

通过限制叶片的变形范围,以发电量最大为目标函数,使叶片在轻量化以及刚性方面取得平衡,并通过粒子群优化算法,全局进行寻优。以5.8 MW,85 m叶片为例,通过查表插值求得叶片各截面刚度分布,并采用二结点梁单元分段进行叶片挥舞方向的变形,在变形约束内,求得发电量最高所对应的叶片几何参数。

由FOCUS得到叶片截面单位长度质量分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。通过各截面弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数在数据库中对截面的单位长度质量进行搜索插值，得到截面单位质量，再积分得到叶片的总质量。以5.8 MW，85 m叶片为例，给定叶片几何参数，在数据库中进行插值，求解叶片总质量。

基于气动、结构一体化设计的理念，通过程序脚本驱动，由FOCUS得到叶片刚度分布。通过正交试验构建与弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数相对应的数据库。在气动与结构计算相互迭代的过程中，根据叶片弦长、翼型相对厚度、主梁宽度、主梁铺层层数调用刚度数据库插值得到刚度。从叶片几何参数设计、刚度求解以及挥舞变形求解，实现叶片气动、结构一体化耦合设计。以5.8 MW，85 m叶片为例，限定叶片挥舞变形为16 m，求解得到的叶片符合设计需求。