风电产业的发展已进入关键瓶颈期,叶面流动分离控制技术的开发已成为产业发展中亟待攻克的重要课题。文章提出了在叶片吸力面靠近流动分离处实施翼型结构向翼面内侧凹曲的结构优化方式,通过凹变参数的合理选择实现了叶面流动分离的有益控制和叶片气动性能的有效提升,为叶面流动分离控制提供了新的分析思路和解决方案。

针对某分布式水平轴风力机叶片，首次提出于翼型吸力面上进行翼型凹变的结构改良，以额定工况时不降低叶片功率输出为前提，成功地将翼型凹变应用于叶片刚度、阻尼比和固有频率的有益改进。研究揭示，翼型向内侧凹变可较好地控制叶片吸力面上气流交汇的位置和影响范围，配合凹槽对汇聚流线的诱导效应，可在一定程度上减小气体流动的能量损失，进而提升叶片的气动性能。此外，翼型凹变可显著提升风轮1阶、2阶阻尼比3%～9%，提升叶片刚度值32%，同时可有效降低叶片最大位移和最大应变值分别为28%和19%。翼型凹变在风力机叶片设计中的成功应用，不仅可为翼型族的衍生提供了新的实现方法，同时可为叶片气动性能和结构动力学性能的兼优性开发提供新的实现途径。

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式，建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型，研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明，在相同风速下，不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响，且风的加速度越大，其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力，且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大，而吸力面上的压力分布差异较小，但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中，在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻，压力面、吸力面的压力分布差异较大，但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处，阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置，阵风减速出力效果相对更好。