揭秘风机叶片自适应调整的“角度秘密”

随着清洁能源的快速发展，海上风力发电已成为全球能源转型的重要版图。为了捕捉到更多、更稳定的风能，现代风力发电机的体型正变得越来越大，数米乃至上百米长的柔性叶片在高空中运转，承受着复杂交织的气流负荷。实际运行中，海风时刮时停、高低空风速的天然差异（风剪切），都会导致叶片根部和结构组件长期处于频繁波动的疲劳负荷之中，严重制约了风机的使用寿命。为平稳消减这种疲劳损伤，传统的控制手段主要是“独立变桨控制”，根据风速整体转动整根沉重的叶片角度。但由于整根叶片质量巨大，机械驱动的响应速度相对较慢，难以实时跟上高频突变的气流脉动。

这篇研究引入了前沿的“智能转子”设计，通过在叶片局部加装可快速微调的“可变形后缘襟翼”，揭示了这种微调在叶片旋转到不同“方位角”时的底层力学反馈机制，为大型海上风机的自适应智能化设计提供了理论依据。

“可变形后缘襟翼”的运作原理类似于现代民航客机机翼后侧的升降副翼。在这项研究中，团队以国际通用的NREL 5兆瓦（MW）大型海上风机作为控制对象，在每根长达63米的叶片外侧尖端（约占全长70%至90%的高速迎风区域）嵌入了这一微型构件。当高空风速突变导致叶片受力骤增时，这枚微型襟翼能够以极快的速度向上或向下偏转。局部的微幅形变能够瞬间改变叶片剖面的实际气动攻角，在不频繁转动整根沉重叶片的前提下平稳、自适应地卸掉多余的气流冲击力。

在风机运转时，三根叶片像时钟的指针一样日夜不停地旋转。叶片垂直指向正上方（12点钟位置）被定义为方位角 0°，指向正下方（6点钟位置）则为 180°。由于“风剪切”现象的存在，高空（12点钟位置）的风速通常明显高于低空（6点钟位置），这就导致叶片在旋转一圈的过程中，受力一直在忽大忽小地坐“过山车”。为了查明智能襟翼在不同旋转角度下的真实作用，研究构建了一套结合气动-伺服-弹性的闭环 PID 控制平台，并在各种风速区（Zone II 低风速、额定风速、Zone III 高风速）展开了精细的物理拓扑定量分析。风机最核心的疲劳负荷来源于叶片旋转一圈产生一次的周期性冲击，在工程上称为“1P固有模式”。

图3展示了在 11.4 m/s 额定风速下，叶片根部挥舞弯矩（M_y1）随时间演变的时域波形。可以看到，未加控制时（红虚线）波形上下震荡剧烈；而引入智能襟翼控制后（绿实线），波形的振幅起伏被平稳地向内收窄。

图4进一步从叶片旋转方位角（Azimuth angle）的微观视角解释了这一机制。当叶片在没有控制（无襟翼）的状态下，自身运动的加速度（红线）与气流带来的气动合力在大部分角度区间内都是同向、同步的，相当于环境力在不停地推波助澜，放大了结构的摆动。智能襟翼启动后，控制系统通过灵敏的自适应角度偏转，在大部分方位角区域内，强行将气动力的相位反转了 180°，变为了与叶片运动方向完全相反的“对抗状态”（见图4绿线）。物理上显著增强了整个流固耦合系统的“气动阻尼”，以柔克刚地化解了气流的摧残。全部测试风速下，通过这种基于方位角的智能调节，叶片根部挥舞弯矩（M_y1）的脉动标准差平稳降低了 12.2% 至 27.5%。

研究人员进一步利用雨流计数法与 Miner 疲劳累积损伤理论进行了寿命折算。结果表明，叶片根部的综合损伤等效载荷在不同风速下降低了 15.6% 至 26.5%。同时，顺着传力路径向下，轮毂及塔筒顶部所承受的整体疲劳冲击也获得了同步的改善。

作者简介：张明明，风能工程领域专家。曾任中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师。现任哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院教授、绿色低碳能源创新技术研究所所长。长期从事风电叶片空气动力学、风电场及复杂地形条件下风力机相互作用与优化设计、风电场选址及控制等方向研究。

DOI：10.1016/j.renene.2016.12.063