跨音速安全模式：下一代风力涡轮机的推动者

为何更快的风机很重要

风能正成为清洁电力的主力之一，制造商正竞相打造更大尺寸的涡轮机以捕获更多大气能量。最新设计的叶片比一个足球场还长，叶尖的速度超过高速列车。本文研究了随之而来的一个隐蔽风险：叶片尖端周围的部分气流行为可能更像喷气飞机周围的流动而非常规风车，这带来了关于安全、疲劳及下一代超大型涡轮机运行方式的新问题。

当风接近声速时

随着叶片变长，其叶尖在空气中扫过巨大的圆周。即便在中等风速下，此处研究的22兆瓦参考机组叶尖速度也超过每秒100米，大约为声速的三分之一。尽管来流风速本身远低于该阈值，叶片的形状会使气流在曲面上加速。靠近叶尖时，尤其在叶片为在强风中卸载功率而调整迎角时，这种局部加速可能如此显著，以致局部气团实际上达到并超过声速。这种以大部分为较慢流动、但有小片段非常快流动混合存在的状态称为跨音速，从高速飞机的发展史中对此并不陌生。

向航空学习但不照搬

在航空领域，早期的跨音速遇险导致剧烈震动甚至结构失效，直到工程师学会如何设计机翼以应对激波和快速压力变化。现代客机就是为这些条件专门建造与测试的。相比之下，风机叶片更厚、曲率更大且为完全不同的任务优化，并未按跨音速效应进行设计。而对涡轮机风险最大的情况往往是较低的来流速度与不寻常的叶片角度组合——这些组合在风洞或仿真中几乎未被充分研究。作者认为，这一知识空白意味着我们尚不能确定叶片尖端反复暴露于跨音速区对结构或长期性能是否无害。

找出风险出现的位置

研究人员首先用标准翼型工具分析了典型叶片截面，以绘制表面局部风速何时会进入跨音速范围的图谱。随后他们用详尽的仿真套件追踪整个22兆瓦海上涡轮机在不同风况和叶片运动下的变化。真实风场有阵风和湍流，机组自身也会弯曲并以较慢的响应作出反应。考虑到所有这些非稳态行为后，结果表明，只要场址风速升至约每秒20米以上，叶片外侧约百分之十的区域预计会在相当一段时间内处于跨音速条件。尽管平均运行点看起来安全，但在正常运行过程中短暂进入高风险区的情况会反复发生。

为巨型风机提出的新安全模式

作者并非等待现场出现问题，而是提出了一种他们称为“跨音速安全模式”的控制策略。想法很简单：将任何会导致跨音速局部出现的叶片迎角与转速组合视为禁区，转而在附近寻找能使气流保持明显较慢同时仍满足设计目标的组合。以22兆瓦涡轮为测试案例，他们表明在强风时适度降低叶尖速度并略微调整叶片迎角，机器可以在两种方式之间进行权衡：以更高扭矩维持相同功率，或在限制扭矩的同时牺牲部分功率。在这两种示例中，叶尖气流均保持在跨音速阈值以下。

这对未来风电意味着什么

该研究并不宣称跨音速流动必然会损害大型涡轮机，但明确指出，随着机组变得更大、叶尖速度更高，这一风险已不能再被忽视。通过提供一种实用方法来绘制跨音速区何时何地出现，并设计避免这些区域的运行规则，跨音速安全模式为制造商和运营商在研究追赶期间管理不确定性提供了工具。通俗地说，这是一种在最高风速下对明天的巨大海上涡轮机采取更为温和运行方式的方法，从而在未来数十年内仍能提供可靠的清洁电力，同时工程师继续研究近音速气流究竟如何影响叶片。

引用: De Tavernier, D.A.M., Zaaijer, M.B. & von Terzi, D.A. The transonic safe mode as an enabler of next-generation wind turbines. Commun Eng 5, 87 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00656-x

关键词: 海上风力涡轮机, 叶片尖端速度, 跨音速流动, 涡轮机控制, 可再生能源工程