一、風力發電機葉片設計

風電葉片的優化設計要滿足一定的設計目標，其中有些甚至是相互矛盾的，如：年輸出功率最大化；最大功率限制(zhi)輸出；振動最小化(hua)和(he)避免(mian)出(chu)現(xian)共振；材料消耗最小化；保證葉片結構局部和整體穩定性；葉片結(jie)構(gou)滿足適當(dang)的強度要(yao)求(qiu)和(he)剛(gang)度要(yao)求(qiu)。

風電(dian)葉片(pian)設(she)計(ji)可分為氣(qi)動設(she)計(ji)和(he)結構設(she)計(ji)這兩個大的階段，其中氣(qi)動設(she)計(ji)要求(qiu)滿(man)足(zu)前兩條目(mu)標(biao)，結構設(she)計(ji)要求(qiu)滿(man)足(zu)后(hou)四條目(mu)標(biao)。通常這兩個階段不是獨立進行(xing)的，而是一個迭代的過程，葉片(pian)厚度必須(xu)足(zu)夠(gou)以(yi)保證能夠(gou)容納腹板，提高葉片(pian)剛度。

1、外形設計

葉(xie)(xie)片(pian)(pian)氣動設計(ji)(ji)(ji)主要(yao)(yao)是(shi)外(wai)形(xing)優(you)化(hua)設計(ji)(ji)(ji)，這是(shi)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)設計(ji)(ji)(ji)中至關重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)一步。外(wai)形(xing)優(you)化(hua)設計(ji)(ji)(ji)中葉(xie)(xie)片(pian)(pian)翼(yi)型設計(ji)(ji)(ji)的(de)(de)優(you)劣直接(jie)決定風機的(de)(de)發(fa)電效率，在風機運(yun)轉條件下(xia)(xia)，流(liu)動的(de)(de)雷諾數(shu)比較(jiao)低，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)通常(chang)在低速、高升(sheng)力(li)系數(shu)狀(zhuang)態下(xia)(xia)運(yun)行(xing)，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)之(zhi)間流(liu)動干擾(rao)造成流(liu)動非(fei)常(chang)復(fu)雜。針對葉(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)形(xing)的(de)(de)復(fu)雜流(liu)動狀(zhuang)態以及葉(xie)(xie)片(pian)(pian)由葉(xie)(xie)型在不(bu)同方(fang)位的(de)(de)分布(bu)構成，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)型的(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)變得非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)(yao)。目(mu)前葉(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)型的(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)技術(shu)通常(chang)采(cai)用(yong)航(hang)空上先進的(de)(de)飛機機翼(yi)翼(yi)型設計(ji)(ji)(ji)方(fang)法設計(ji)(ji)(ji)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)型的(de)(de)形(xing)狀(zhuang)。先進的(de)(de)CFD技術(shu)已廣(guang)泛應用(yong)于不(bu)同類型氣動外(wai)形(xing)的(de)(de)設計(ji)(ji)(ji)，對于低雷諾數(shu)、高升(sheng)力(li)系數(shu)狀(zhuang)態下(xia)(xia)風機運(yun)行(xing)條件，采(cai)用(yong)考慮(lv)粘性的(de)(de)N-S控(kong)制方(fang)程分析葉(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)型的(de)(de)流(liu)場是(shi)非(fei)常(chang)必要(yao)(yao)的(de)(de)。

在(zai)過去的10多年(nian)中(zhong)，水平軸風(feng)電葉片翼(yi)(yi)(yi)型通常(chang)選擇NACA系(xi)列(lie)的航(hang)空翼(yi)(yi)(yi)型，比(bi)如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等(deng)。這些翼(yi)(yi)(yi)型對前緣粗糙(cao)度(du)非常(chang)敏感(gan)，一旦前緣由于(yu)污(wu)染(ran)變得粗糙(cao)，會(hui)導致翼(yi)(yi)(yi)型性能大幅(fu)度(du)下降，年(nian)輸(shu)出(chu)功率損失最高達30%。在(zai)認識到航(hang)空翼(yi)(yi)(yi)型不(bu)太(tai)適合于(yu)風(feng)電葉片后(hou)，80年(nian)代中(zhong)期后(hou)，風(feng)電發達國(guo)家開(kai)始對葉片專用(yong)(yong)翼(yi)(yi)(yi)型進行研究，并成功開(kai)發出(chu)風(feng)電葉片專用(yong)(yong)翼(yi)(yi)(yi)型系(xi)列(lie)，比(bi)如美(mei)國(guo)Seri和(he)NREL系(xi)列(lie)、丹麥RISO-A系(xi)列(lie)、瑞典FFA-W系(xi)列(lie)和(he)荷蘭DU系(xi)列(lie)。

這些翼型各有(you)(you)優勢，Seri系列(lie)(lie)對(dui)翼型表面(mian)粗糙度敏感性(xing)低；RISO-A系列(lie)(lie)在(zai)接近失(shi)速時具有(you)(you)良好的失(shi)速性(xing)能且對(dui)前(qian)緣粗糙度敏感性(xing)低；FFA-W系列(lie)(lie)具有(you)(you)良好的后失(shi)速性(xing)能。丹(dan)麥LM公司已(yi)在(zai)大型風(feng)機葉片上采用(yong)瑞典FFA-W翼型，風(feng)機專用(yong)翼型將(jiang)會在(zai)風(feng)電葉片設計中(zhong)廣泛應用(yong)。

目前(qian)(qian)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)(wai)形(xing)的(de)設(she)(she)計(ji)理(li)(li)論有好幾種(zhong)，都是(shi)(shi)(shi)在機(ji)翼(yi)氣(qi)動(dong)理(li)(li)論基礎上(shang)發(fa)展(zhan)起來的(de)。第一(yi)種(zhong)外(wai)(wai)形(xing)設(she)(she)計(ji)理(li)(li)論是(shi)(shi)(shi)按照貝(bei)茨(ci)理(li)(li)論得到的(de)簡化設(she)(she)計(ji)方法(fa)，該方法(fa)是(shi)(shi)(shi)假設(she)(she)風力機(ji)是(shi)(shi)(shi)按照貝(bei)茨(ci)公(gong)式的(de)最佳條件運(yun)行的(de)，完全沒有考慮渦流(liu)損失等,設(she)(she)計(ji)出來的(de)風輪(lun)效(xiao)(xiao)率不超過40%。后來一(yi)些著名的(de)氣(qi)動(dong)學家(jia)相(xiang)繼建(jian)立了(le)(le)各自的(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)氣(qi)動(dong)理(li)(li)論。Schmitz理(li)(li)論考慮了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)周向渦流(liu)損失,設(she)(she)計(ji)結果相(xiang)對(dui)(dui)(dui)準確一(yi)些。Glauert理(li)(li)論考慮了(le)(le)風輪(lun)后渦流(liu)流(liu)動(dong)，但忽略了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)翼(yi)型阻力和(he)(he)葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍(shao)損失的(de)影(ying)(ying)響,對(dui)(dui)(dui)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)(wai)形(xing)影(ying)(ying)響較(jiao)小(xiao),對(dui)(dui)(dui)風輪(lun)效(xiao)(xiao)率影(ying)(ying)響卻較(jiao)大。Wilson在Glauert理(li)(li)論基礎上(shang)作了(le)(le)改進，研究了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍(shao)損失和(he)(he)升(sheng)阻比對(dui)(dui)(dui)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)最佳性(xing)能(neng)的(de)影(ying)(ying)響，并且研究了(le)(le)風輪(lun)在非設(she)(she)計(ji)工(gong)況下的(de)性(xing)能(neng)，是(shi)(shi)(shi)目前(qian)(qian)最常(chang)用的(de)設(she)(she)計(ji)理(li)(li)論。

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2、結構設計

目(mu)前大型風電(dian)葉(xie)片(pian)的(de)結構(gou)(gou)都(dou)為蒙(meng)皮(pi)主梁(liang)形式(shi)。蒙(meng)皮(pi)主要(yao)(yao)由雙軸(zhou)復合材料層增(zeng)(zeng)強，提供氣動外形并承(cheng)擔(dan)大部分剪切載(zai)荷。后緣(yuan)空腔較寬，采用(yong)夾(jia)芯結構(gou)(gou)，提高(gao)其抗失穩能力，這與夾(jia)芯結構(gou)(gou)大量(liang)在汽車(che)上應用(yong)類似。主梁(liang)主要(yao)(yao)為單向復合材料層增(zeng)(zeng)強，是(shi)葉(xie)片(pian)的(de)主要(yao)(yao)承(cheng)載(zai)結構(gou)(gou)。腹板為夾(jia)芯結構(gou)(gou)，對主梁(liang)起到支撐作用(yong)。

典型葉片剖面構造形式 結構鋪層校核對葉片結構設計來說也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業有限元軟件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對葉片進行校核時，考慮單層的極限強度、自振頻率和葉尖撓度，分析模型有殼模型和梁模型等，并且能夠做到這兩種模型的相互轉換。與其他葉片結構相比，目前大型葉片的中空夾芯結構具有很高的抗屈曲失穩能力，較高的自振頻率，這樣設計出來的葉片相對較輕。有限元法可用于設計，但更多用于模擬分析而不是設(she)(she)(she)計(ji)，設(she)(she)(she)計(ji)與模擬必須交叉進行，在每一步設(she)(she)(she)計(ji)完(wan)成后，必須更新分析模型，重新得到鋪(pu)(pu)層(ceng)中的(de)(de)應(ying)力(li)和(he)應(ying)變(bian)數據，再返回設(she)(she)(she)計(ji)，更改鋪(pu)(pu)層(ceng)方案，再分析應(ying)力(li)和(he)變(bian)形等，直到滿(man)足設(she)(she)(she)計(ji)標(biao)準為止(zhi)。因為復合(he)材料正交各向異(yi)性的(de)(de)特(te)殊性，葉片各鋪(pu)(pu)層(ceng)內的(de)(de)應(ying)力(li)并不連(lian)(lian)續(xu)，而應(ying)變(bian)則相對連(lian)(lian)續(xu)，所(suo)以葉片結構校核的(de)(de)失效準則有時候完(wan)全采用應(ying)變(bian)失效準則。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)片(pian)發(fa)(fa)展初期，由于(yu)葉(xie)(xie)片(pian)較小，有木葉(xie)(xie)片(pian)、布蒙(meng)皮葉(xie)(xie)片(pian)、鋼梁玻璃纖維蒙(meng)皮葉(xie)(xie)片(pian)、鋁合(he)(he)(he)(he)金葉(xie)(xie)片(pian)等等，隨著葉(xie)(xie)片(pian)向大型化方(fang)向發(fa)(fa)展，復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)逐漸取代其他(ta)材(cai)(cai)料(liao)(liao)幾乎成為(wei)大型葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)唯一(yi)可選(xuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)具(ju)有其它(ta)單一(yi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)無法比擬的(de)(de)優勢之一(yi)就是(shi)其可設(she)(she)(she)計性(xing)，通過(guo)調整單層的(de)(de)方(fang)向，可以(yi)獲得(de)該方(fang)向上所需(xu)要的(de)(de)強度(du)和(he)剛度(du)。更(geng)重要的(de)(de)是(shi)可利(li)用(yong)(yong)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)各向異性(xing)，使結構不同(tong)變形(xing)形(xing)式(shi)之間發(fa)(fa)生耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)。比如由于(yu)彎扭耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)，使得(de)結構在只受到彎矩作用(yong)(yong)時發(fa)(fa)生扭轉。在過(guo)去，葉(xie)(xie)片(pian)橫截(jie)面耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)效應是(shi)一(yi)個讓設(she)(she)(she)計人員頭疼的(de)(de)難題(ti)，設(she)(she)(she)計工程想方(fang)設(she)(she)(she)法消(xiao)除(chu)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)現象。但在航(hang)空領域(yu)人們(men)開(kai)始(shi)利(li)用(yong)(yong)復(fu)(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)彎扭耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)，拉剪耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)效應，提高機(ji)翼的(de)(de)性(xing)能。在葉(xie)(xie)片(pian)上，引人彎扭耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)設(she)(she)(she)計概念，控制葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)氣(qi)彈(dan)變形(xing)，這就是(shi)氣(qi)彈(dan)剪裁。通過(guo)氣(qi)彈(dan)剪裁，降(jiang)低葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)疲(pi)勞(lao)載荷，并(bing)優化功率輸出。

玻(bo)(bo)璃(li)纖維增強塑料(liao)(玻(bo)(bo)璃(li)鋼(gang))是現(xian)代風(feng)機葉(xie)(xie)片(pian)最普(pu)遍采用的(de)(de)復合(he)材(cai)料(liao)，玻(bo)(bo)璃(li)鋼(gang)以其低廉的(de)(de)價格，優(you)良的(de)(de)性(xing)能占據(ju)著(zhu)大型風(feng)機葉(xie)(xie)片(pian)材(cai)料(liao)的(de)(de)統治(zhi)地位。但隨著(zhu)葉(xie)(xie)片(pian)逐(zhu)(zhu)漸(jian)變(bian)大，風(feng)輪直徑已突破(po)120m，最長(chang)(chang)的(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)已做到61.5m，葉(xie)(xie)片(pian)自重達18t。這對材(cai)料(liao)的(de)(de)強度和剛度提出了更加苛刻的(de)(de)要(yao)求。全玻(bo)(bo)璃(li)鋼(gang)葉(xie)(xie)片(pian)已無(wu)法(fa)滿(man)足葉(xie)(xie)片(pian)大型化，輕量化的(de)(de)要(yao)求。碳(tan)(tan)纖維或(huo)其它高強纖維隨之被應用到葉(xie)(xie)片(pian)局部區域，如NEG Micon NM 82.40m長(chang)(chang)葉(xie)(xie)片(pian)，LM61.5m長(chang)(chang)葉(xie)(xie)片(pian)都在高應力區使用了碳(tan)(tan)纖維。由于葉(xie)(xie)片(pian)增大，剛度逐(zhu)(zhu)漸(jian)變(bian)得重要(yao)，已成為新一代MW級葉(xie)(xie)片(pian)設計。

二、風力發電機葉片長度

風力發電機葉片長度取決于你(ni)整臺機組的(de)(de)設(she)計(ji)功(gong)率和風(feng)場(chang)(chang)狀況。同一(yi)風(feng)場(chang)(chang)，功(gong)率越大葉(xie)片越長(chang)。 同一(yi)功(gong)率，年(nian)平(ping)均風(feng)速較低的(de)(de)風(feng)場(chang)(chang)需要更(geng)長(chang)的(de)(de)葉(xie)片。實際上根據研(yan)究，不同風(feng)場(chang)(chang)，需與(yu)之配(pei)套的(de)(de)相應功(gong)率風(feng)機，才能實現真正的(de)(de)性價(jia)比(bi)。

另(ling)外，同樣長度的(de)葉(xie)片(pian)，由于翼(yi)型(xing)差異，功率并不相同。因(yin)此葉(xie)片(pian)廠家盡可能的(de)在(zai)優(you)化葉(xie)片(pian)結構。實際(ji)上真正優(you)秀葉(xie)片(pian)的(de)具體(ti)(ti)形狀的(de)確定是(shi)個(ge)非(fei)常復(fu)雜的(de)過(guo)程，對(dui)流(liu)體(ti)(ti)力學，空氣動力學非(fei)常高。