近些年，风电机组尺寸持续增长，激烈的市场竞争推动着技术的持续更新。出于控制成本和保证安全的目的，越来越多的研究人员开始关注如何提升风电机组气动效率、优化叶片外形、降低载荷和增加叶片生命周期等方面的研究。其中，疲劳载荷水平是风电机组设计的一个关键因素，降低疲劳载荷可以显著降低风电机组制造和维护成本。无论是提升风电机组气动效率或是降低载荷水平，其研究的核心都集中于叶片的气动控制技术，而叶片气动控制在很大程度上依赖于对流经叶片表面气流的控制。本文将根据现有的研究资料讨论风电机组叶片的气动控制技术，这些技术有的已经广泛应用于实际风电机组叶片上，有的还处于研究阶段。
气动控制技术综述
风电机组气动控制技术可以分为两类：主动控制和被动控制，如图1 所示。被动控制技术是指在不借助外部辅助力量下能够提高风电机组发电效率、降低气动载荷等的控制方法。常见的被动控制技术如下风向风电机组的自由偏航技术，气弹适应叶片以及涡流发生器、叶片扰流器等被动气流控制技术。主动控制技术则指需要借助外力的控制技术，传统的如机组偏航，叶片变速变桨等，更先进的主动控制技术如改变剖面形状和翼型表面吹/ 吸气的控制技术。
被动控制技术
一、被动偏航
绝大多数的现代风电机组均采用主动偏航控制，然而在早期风电机组以及部分现代风电机组中仍然可以见到被动偏航的例子。其中最简单的的一种是尾舵偏航，它广泛地用于风轮直径在几米范围内的小型风电机组中。还有一种侧风轮偏航系统，也成功地用在小型风电机组中。然而无论是尾舵还是侧风轮偏航，由于其偏航力矩的局限，都没能再应用于现代大型风电机组中。另一种应用于部分现代大型风电机组中的被动偏航技术是下风向风电机组中采用的自由偏航。该技术可以节约主动偏航控制系统的成本以及避免主动偏航中的风向测量误差，日立公司在其海上5MW 风电机组上就采用了这种技术。
二、气弹适应叶片(弯扭耦合)
在风电机组运行过程中，叶片总是伴随着弯曲和扭转变形，其带来攻角的变化会影响到叶片的发电功率和气动载荷，这种现象被称之为气弹耦合。因为柔性叶片的气弹耦合现象不可避免，故可以在叶片设计时利用气弹耦合特性使其适应优化发电功率和降低疲劳载荷的目标。其中，弯扭耦合是研究最广泛的一种气弹适应性设计。这种设计旨在当叶片受载弯曲的同时会伴随着显著的扭转变形以增加叶片扭角，进而降低攻角，降低载荷。这种技术能有效降低阵风引起的载荷波动，从而增加叶片疲劳寿命。目前有两种典型的设计方法：基于材料的耦合和基于外形的耦合。
基于材料的弯扭耦合设计的原理如图2 所示。利用纤维增强材料的各向异性，在叶片的上下翼面作“镜像”铺层，纤维方向与叶片轴向呈一定夹角。这样叶片弯曲时，上下翼面纤维中的拉/ 压力将形成同一方向的剪力分量，在翼剖面形成扭矩以致产生扭转变形。基于外形的弯扭耦合设计指的是一种后掠叶片设计，原理如图3 所示。叶片外形轴线逐渐偏离变桨轴线(指向与叶片旋转方向相反)，当挥舞方向气动载荷作用于叶片上时，将产生相对变桨轴线的扭矩使翼剖面顺桨。这种后掠叶片设计常见GE 、西门子等公司的叶片中。
三、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 实际上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翼尖涡，由于其展弦比小，翼尖涡强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与下游的边界层流动混合后，把能量传递给边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得能量后能够继续附着在翼型表面从而达到延迟分离的效果。
1980 年代，VG 开始应用于风电机组叶片中，用以控制流动分离，大量应用证明VG 能显著提升风电机组发电效率。当前大型变速变桨控制风电机组叶片的翼型设计工作点均处于较大升力系数处，即翼型工作于接近失速的攻角下。当风电机组转速达到额定转速而功率未达到满发状态时，随着风速的增加，叶尖速比减小，叶片截面的攻角增加。而由于风轮面内的旋转线速度远低于叶尖，叶根区域的攻角大于叶尖，将先于叶尖区域失速。因此VG 常应用于叶根区域(展向长度30% 以内)。图4 为VG 应用于叶片上的原理简图。
四、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。
在航空领域，飞机机翼的吸力面安装扰流器，当其打开工作时，升力减小，阻力增加，常用于飞机降落过程中。叶片则刚好相反，扰流器被安装于叶根部压力面后缘，起到增加翼型中弧线的效果，增加了升力系数。图5 展示了LM 和西门子公司叶片上常见的几种扰流器。
五、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，叶根区域流体雷诺数远低于叶尖区域，流动受粘性力影响大，边界层内气体受叶片旋转产生的离心力有流向叶尖的趋势，从而造成气流分离向叶尖扩大，导致气动效率降低。于是在叶片中也引入了翼刀的设计，在物理上阻断边界层向叶尖的流动，增加气动效率。Van Dam 等人运用CFD 方法分析了翼刀对叶片气动性能的影响。图6 是LM 公司的一种带有翼刀的叶片。
六、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。Oerlemans 和Mendez-Lopez 对Gamesa 公司的G58 机组进行了运行噪声的测量，分析得出：
(1)风电机组的主要噪声来自于叶尖70% -95% 区域(叶尖噪声已通过优化的叶尖外形和反向扭角得到控制);(2)叶片的噪声主要来自后缘噪声。
根据飞机引擎降噪的经验，Howe 于1991 年提出了锯齿后缘降低叶片后缘噪声的传播理论。后缘锯齿会使流动在后缘处形成一列反向旋转的涡对，改变了尾涡结构，减弱了下游尾迹区的展向相关性，减小了噪声的远场辐射。随后大量的理论研究及实际应用表明该技术可以显著降低叶片的气动噪声。目前锯齿后缘设计已普遍应用于风电机组叶片中，图7 为其在西门子叶片上的应用实例。
七、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，这是造成叶尖噪声、叶片效率减小、疲劳载荷增加的主要原因之一。借鉴飞机机翼解决翼尖涡的经验，一种类似翼梢的叶尖小翼被应用到风电机组叶片中。加装小翼，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。这种叶尖小翼设计与大弦长叶根一样几乎成为Enercon 公司风电机组叶片的标志(如图8 所示)，然而也有越来越多的其他风电机组制造商开始采用这种技术。
主动控制技术
主动控制技术是指通过对风速、风向、叶片入流角及叶片表面气流等因素的主动控制，实现控制风电机组载荷及气动性能的目的。现代风电机组中应用最广泛的主动控制方法是主动偏航和变桨。本文主要介绍对叶片表面流动的主动控制技术，目前这方面技术的研究有很多，大体可分为通过改变剖面形状和通过表面吹/ 吸气的方式进行气动特性的控制。
一、改变剖面形状
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。很多国外研究机构或企业对襟翼在叶片中的应用进行了深入研究，Vestas 公司与丹麦科技大学一起在其V27 机组的叶片上安装了0.7m 长的后缘襟翼，通过在试验风场的运行测试表明可降低叶根部挥舞弯矩14% 。然而这种传统的襟翼机构存在一些制约其应该到风电机组叶片的因素，其中最主要的一点是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，另外复杂的结构也给制造和维护带来不便。图9 为一种带后缘襟翼控制叶片的机组。
Van Dam 基于Gurney 襟翼研究了一种可主动平移的后缘小板结构，这种小板分别安装于翼型上下翼面，可以根据不同工况需要调节小板的平移量影响翼型气动特性。通过CFD 计算和风洞试验的方法对这套系统进行了深入的研究，并用气弹分析工具分析它能显著降低叶片疲劳载荷。这种小板结构简单且在叶片展向分散安装，因此有实际应用在叶片上的可能，图10 为这种后缘小板结构的示意图。
近年来，基于智能材料的可变形翼型得到了越来越多的研究。丹麦Risoe 实验室研究了一种可变形后缘的翼型，它的后缘处有一种压电材料制作的小平板与主体相连，变形响应及时且不受叶片展向长度的限制。通过对Vestas 公司V66 机组数值模拟，发现在叶片上使用7m 长的该种后缘结构，可以在10% 湍流强度下减小挥舞弯矩60% 。代尔夫特理工大学也对安装了这种可变形后缘平板的缩比叶片模型进行了风洞测试，发现可降低叶根应变60% -95% 。图11 展示了美国FlexSys 公司开发的另一种后缘部分可整体连续变形的自适应柔性翼型，他的后缘变形范围可达±10 °，目前已经应用到了高科技飞机中，具体的设计细节尚未公开。
二、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。尽管该技术在航空领域已有成熟应用，但在风电机组叶片上的应用受到很多制约。其中之一是这种传统的吹气或吸气机构很难在叶片内部安装，另一方面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。
在传统的边界层吹/ 吸气流技术基础上，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。然而这类技术距离实际应用叶片中还有很长的路要走。
结语
通过对风电机组叶片实施气动控制技术，可以实现增加风电机组发电效率，降低阵风等恶劣工况下对叶片的动态载荷，增加叶片生命周期。叶片的气动控制技术分为被动控制和主动控制两类，目前已经有很多的被动控制技术在实际叶片中得到了应用并证明了它们对叶片气动特性的有效控制，比如弯扭耦合设计的叶片、涡流发生器、扰流器、翼刀、叶尖小翼和锯齿后缘等的应用。越来越多的国内外学者开始研究很多主动控制技术，这些技术比被动控制技术对流动的控制更直接有效也更加灵活，然而受制于成本、安装及维护等方面的限制，尚未能得到广泛应用，这将是今后的重点发展方向。
