不久前，风电世界发了一篇关于风机叶片锯齿尾缘作用的文章，有粉丝在文后留言谈及另一种通过改变叶片形态，提升风机发电能力的组件，名为叶尖小翼。
大型风电机组叶尖位置，往往会产生较大的诱导阻力使叶片的气动性能下降。由于叶尖弦长较小，可调整空间非常有限，只是通过叶尖施加反转扭角效果也不理想。为了提升叶片的气动效率，延长使用寿命，降低噪声影响，风电工程师们借鉴了航空领域的技术，在飞机机翼的设计上找到了解决问题的灵感。
早在1897年，英国空气动力学家兰彻斯特在详细解释了机翼升力产生的原因之后不久就提出了在翼尖处加装端板以改善机翼空气动力学特性的想法。
1944年首飞的德国He 162战斗机翼尖使用了小翼设计。
1976年，美国NASA兰利研究中心的惠特科姆博士重提翼梢小翼的作用，向NASA提交的翼梢小翼设计初稿。
同年，波音公司在波音707运输机改装而成的KC-135空中加油机上进行了试验。数据表明，KC-135在加装小翼后，最大飞行高度增加了3.4%，升力系数增大了4.88%，巡航状态升阻比提高了7.8%，航程增加了7.5%。
据称，装有小翼的空客A320飞机，每年可减少1200吨碳排放。
那么，叶尖小翼在风电机组上的使用，到底能带来哪些好处呢？
一是减少叶尖涡流，提升气动效率。当风流经叶片时，叶片上表面气压低、下表面气压高，在叶尖处会形成气流卷绕，产生叶尖涡流。这会导致能量损失，降低叶片的气动效率。叶尖小翼通过改变叶尖处的气流方向，分散或削弱涡流强度，减少因涡流产生的阻力和能量损耗，使叶片能更高效地捕获风能。研究表明，合理设计的叶尖小翼可使风电机组的年发电量（AEP）提升 1%~5%，在高风速区域效果更显著。
二是降低叶片载荷，延长使用寿命。叶尖涡流会加剧叶片尖端的气动载荷波动（如升力、弯矩），长期运行可能导致叶片疲劳损伤。小翼通过改善气流流场，使叶尖处的载荷分布更均匀，降低高频振动和疲劳应力，从而延长叶片的使用寿命，减少维护成本。
三是改善风电机组的气动噪声。叶尖涡流与空气摩擦是风电机组噪声的主要来源之一，尤其在高风速下更为明显。通过削弱叶尖涡流的强度，小翼可降低气流扰动产生的噪声，这对风电场靠近居民区或生态敏感区域时尤为重要，有助于满足环保降噪要求。
目前，不少整机企业与科技公司都研发出了叶尖小翼，并且运行效果还不错。例如，FlowChange动叶片设计师、工程师Kees ckriede曾在国内举行的一个会议上表示，其小翼技术可实现风机功率提升3.6%，年发电量提升4.5%。
虽然这项技术看上去很不错，但经常接触风机或叶片的人可能会提出这样一个疑问，为什么我们见到的风机，很少有安装这一装置的。
一是低风速场景收益有限。当风速低于额定值（如＜10m/s）时，叶尖线速度较小（＜50m/s），涡流强度弱，加装小翼对诱导阻力的降低效果（＜5%）难以覆盖改造成本。如一款1.5MW风机在年平均风速6m/s的地区加装小翼，年发电量仅提升1.2%，投资回收期超过8年。
二是与叶片翼型的匹配要求高。叶尖小翼要与叶片翼型气动特性耦合，如果原叶片设计没有预留叶尖小翼安装接口，可能因气动干扰导致收益还不如原始叶片设计。如某早期定桨距叶片加装小翼后，因翼型不匹配使失速攻角提前，效率反而降低0.8%。
三是小翼的可靠性要求高。叶尖小翼位于叶片最远端，线速度最大，承受的离心力、气动载荷是叶片主体的1.5~2倍。若其结构强度不足可能引发裂纹。如一款风机的叶尖小翼因为螺栓连接处应力集中，运行2年后出现疲劳断裂。
四是可能引发共振。叶尖小翼的附加质量可能改变叶片固有频率，当与塔筒振动频率重合时会引发共振。例如一款3MW风机在加装叶尖小翼后，叶尖振幅因模态耦合增加12%。
五是导致叶片结构设计安全裕度不足。叶尖小翼改变了叶尖流场的同时，可能使叶片中部的载荷分布发生变化，导致原叶片结构设计的安全裕度不足。例如有一台风机，在加装叶尖小翼后，叶片根部弯矩增加了5%，超出设计限值。
六是成本不低。叶尖小翼需要与叶片一体成型或后期加装，前者需要修改模具，后者需要增加连接件。一支叶片加装叶尖小翼的改造成本可达十多万元。并且叶尖小翼还需要后期维护，每次维护都需要吊篮作业，使叶片维护成本增加15%-20%。
因此，叶尖小翼在高风速、平坦地形、定桨距机组等场景中优势显著，但在低风速、复杂工况或长叶片（80m以上）场景中，可能因载荷风险、成本过高等因素被舍弃。
本文来源：风电世界
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