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(nian)輸(shu)出功率最(zui)大化(hua)；最大功率(lv)限制(zhi)輸出；振(zhen)(zhen)動最(zui)小化和避免出現共振(zhen)(zhen)；材(cai)料(liao)消耗最小(xiao)化；保(bao)證葉片結構局(ju)部(bu)和整體(ti)穩定性；葉(xie)片結構(gou)滿足適當的強度(du)要(yao)求(qiu)和(he)剛度(du)要(yao)求(qiu)。

風電葉(xie)(xie)片設(she)計可分為氣(qi)動(dong)設(she)計和結(jie)構設(she)計這(zhe)兩個(ge)大的(de)(de)階段，其(qi)中(zhong)氣(qi)動(dong)設(she)計要(yao)求滿足(zu)前兩條(tiao)目標，結(jie)構設(she)計要(yao)求滿足(zu)后四條(tiao)目標。通常這(zhe)兩個(ge)階段不是(shi)獨立進行的(de)(de)，而是(shi)一個(ge)迭代的(de)(de)過程，葉(xie)(xie)片厚(hou)度(du)必須足(zu)夠(gou)以保(bao)證能夠(gou)容納腹板，提高(gao)葉(xie)(xie)片剛度(du)。

1、外形設計

葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)氣動(dong)(dong)(dong)(dong)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)主要(yao)是外(wai)形(xing)優(you)(you)化(hua)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)，這(zhe)是葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)至關重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)一步。外(wai)形(xing)優(you)(you)化(hua)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)翼(yi)型(xing)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)劣直(zhi)接決定(ding)風機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)發電效(xiao)率，在(zai)風機(ji)運轉條(tiao)件下(xia)，流動(dong)(dong)(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)雷(lei)諾(nuo)數(shu)比較低，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)通(tong)(tong)常(chang)在(zai)低速、高(gao)升力(li)系(xi)數(shu)狀態(tai)(tai)下(xia)運行，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)之間流動(dong)(dong)(dong)(dong)干擾造成流動(dong)(dong)(dong)(dong)非常(chang)復(fu)雜。針(zhen)對(dui)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)復(fu)雜流動(dong)(dong)(dong)(dong)狀態(tai)(tai)以及葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)由(you)葉(xie)(xie)型(xing)在(zai)不同方(fang)位的(de)(de)(de)(de)(de)分布構成，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)變得非常(chang)重要(yao)。目前(qian)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)技(ji)術通(tong)(tong)常(chang)采用航(hang)空上先(xian)進的(de)(de)(de)(de)(de)飛機(ji)機(ji)翼(yi)翼(yi)型(xing)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)方(fang)法設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)狀。先(xian)進的(de)(de)(de)(de)(de)CFD技(ji)術已廣泛應用于不同類型(xing)氣動(dong)(dong)(dong)(dong)外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)，對(dui)于低雷(lei)諾(nuo)數(shu)、高(gao)升力(li)系(xi)數(shu)狀態(tai)(tai)下(xia)風機(ji)運行條(tiao)件，采用考慮粘性的(de)(de)(de)(de)(de)N-S控制方(fang)程分析葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)流場(chang)是非常(chang)必要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)。

在過(guo)去的10多年(nian)中(zhong)，水(shui)平軸風電(dian)葉(xie)片翼型(xing)(xing)(xing)(xing)通常選擇NACA系(xi)(xi)列的航(hang)空(kong)翼型(xing)(xing)(xing)(xing)，比(bi)(bi)如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等(deng)。這(zhe)些(xie)翼型(xing)(xing)(xing)(xing)對(dui)前(qian)緣(yuan)粗(cu)糙度(du)非常敏感(gan)，一旦前(qian)緣(yuan)由于(yu)污染(ran)變(bian)得粗(cu)糙，會導致翼型(xing)(xing)(xing)(xing)性(xing)能大幅度(du)下降，年(nian)輸出功率損(sun)失(shi)最(zui)高達30%。在認識(shi)到航(hang)空(kong)翼型(xing)(xing)(xing)(xing)不太適(shi)合于(yu)風電(dian)葉(xie)片后，80年(nian)代中(zhong)期后，風電(dian)發(fa)達國家(jia)開(kai)始對(dui)葉(xie)片專用翼型(xing)(xing)(xing)(xing)進(jin)行研究，并(bing)成功開(kai)發(fa)出風電(dian)葉(xie)片專用翼型(xing)(xing)(xing)(xing)系(xi)(xi)列，比(bi)(bi)如美國Seri和NREL系(xi)(xi)列、丹(dan)麥RISO-A系(xi)(xi)列、瑞典FFA-W系(xi)(xi)列和荷蘭DU系(xi)(xi)列。

這些翼(yi)(yi)(yi)型各有優勢(shi)，Seri系列(lie)(lie)對翼(yi)(yi)(yi)型表面粗(cu)糙度敏感性(xing)低；RISO-A系列(lie)(lie)在接(jie)近失速時具(ju)(ju)有良好(hao)的失速性(xing)能(neng)且(qie)對前緣粗(cu)糙度敏感性(xing)低；FFA-W系列(lie)(lie)具(ju)(ju)有良好(hao)的后失速性(xing)能(neng)。丹麥LM公司已在大型風(feng)(feng)機葉(xie)(xie)片(pian)上(shang)采用瑞典FFA-W翼(yi)(yi)(yi)型，風(feng)(feng)機專用翼(yi)(yi)(yi)型將會(hui)在風(feng)(feng)電葉(xie)(xie)片(pian)設計中廣泛應用。

目前(qian)葉(xie)片(pian)外(wai)形(xing)的(de)設(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)有好幾種，都是在(zai)機(ji)翼(yi)氣動理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)基(ji)礎上發展起(qi)來的(de)。第一(yi)種外(wai)形(xing)設(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)是按(an)(an)照貝(bei)茨理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)得到的(de)簡化(hua)設(she)(she)計方法，該(gai)方法是假設(she)(she)風力機(ji)是按(an)(an)照貝(bei)茨公式的(de)最(zui)佳(jia)條件(jian)運(yun)行的(de)，完全沒(mei)有考慮(lv)渦(wo)流(liu)損失(shi)等(deng),設(she)(she)計出來的(de)風輪(lun)(lun)效(xiao)率(lv)不超過40%。后來一(yi)些(xie)著名(ming)的(de)氣動學(xue)家(jia)相(xiang)繼建立(li)了(le)(le)各自的(de)葉(xie)片(pian)氣動理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)。Schmitz理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)考慮(lv)了(le)(le)葉(xie)片(pian)周(zhou)向渦(wo)流(liu)損失(shi),設(she)(she)計結果相(xiang)對(dui)準確一(yi)些(xie)。Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)考慮(lv)了(le)(le)風輪(lun)(lun)后渦(wo)流(liu)流(liu)動，但(dan)忽(hu)略了(le)(le)葉(xie)片(pian)翼(yi)型阻力和(he)葉(xie)稍損失(shi)的(de)影響,對(dui)葉(xie)片(pian)外(wai)形(xing)影響較(jiao)小,對(dui)風輪(lun)(lun)效(xiao)率(lv)影響卻較(jiao)大。Wilson在(zai)Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)基(ji)礎上作了(le)(le)改(gai)進，研(yan)究了(le)(le)葉(xie)稍損失(shi)和(he)升阻比對(dui)葉(xie)片(pian)最(zui)佳(jia)性能的(de)影響，并且研(yan)究了(le)(le)風輪(lun)(lun)在(zai)非設(she)(she)計工況下的(de)性能，是目前(qian)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)設(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)。

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2、結構設計

目前大(da)(da)型風電葉片的(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)都為蒙(meng)皮主(zhu)(zhu)梁形(xing)式。蒙(meng)皮主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)由雙(shuang)軸復合材料層(ceng)增強(qiang)，提(ti)供(gong)氣動(dong)外形(xing)并承(cheng)擔(dan)大(da)(da)部分剪(jian)切載荷。后(hou)緣(yuan)空腔較(jiao)寬，采用夾芯結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)，提(ti)高其抗失穩(wen)能力，這與(yu)夾芯結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)大(da)(da)量在汽車(che)上應用類似。主(zhu)(zhu)梁主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)為單向復合材料層(ceng)增強(qiang)，是葉片的(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)承(cheng)載結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)。腹板(ban)為夾芯結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)，對主(zhu)(zhu)梁起到(dao)支撐作用。

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(ni)分析(xi)而不是(shi)設計(ji)，設計(ji)與模擬(ni)必(bi)須(xu)交(jiao)叉進行，在每一(yi)步設計(ji)完成后(hou)，必(bi)須(xu)更(geng)新分析(xi)模型，重新得到(dao)鋪層中的(de)應(ying)力和(he)應(ying)變(bian)數據(ju)，再返回設計(ji)，更(geng)改鋪層方案，再分析(xi)應(ying)力和(he)變(bian)形(xing)等，直到(dao)滿(man)足設計(ji)標準(zhun)為止(zhi)。因為復合材料正(zheng)交(jiao)各向異性(xing)的(de)特殊性(xing)，葉片各鋪層內的(de)應(ying)力并不連續，而應(ying)變(bian)則(ze)相(xiang)對連續，所以葉片結(jie)構校核的(de)失效準(zhun)則(ze)有時候完全采用應(ying)變(bian)失效準(zhun)則(ze)。

3、材料選擇

風電葉(xie)片(pian)(pian)(pian)發(fa)展初期，由于(yu)(yu)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)較小，有木(mu)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)、布(bu)蒙皮葉(xie)片(pian)(pian)(pian)、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉(xie)片(pian)(pian)(pian)、鋁合(he)金葉(xie)片(pian)(pian)(pian)等等，隨著(zhu)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)向大(da)型(xing)化(hua)方(fang)向發(fa)展，復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)逐(zhu)漸取代其(qi)他材(cai)(cai)料(liao)(liao)幾乎(hu)成為大(da)型(xing)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)唯一(yi)可選(xuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)具有其(qi)它單一(yi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)無法比擬的(de)(de)優(you)勢之一(yi)就是(shi)其(qi)可設(she)(she)(she)計(ji)(ji)性(xing)(xing)，通過調(diao)整單層(ceng)的(de)(de)方(fang)向，可以獲得該方(fang)向上(shang)所需(xu)要的(de)(de)強度和剛度。更重要的(de)(de)是(shi)可利用(yong)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)各向異性(xing)(xing)，使結構(gou)不同變形形式之間發(fa)生耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)。比如由于(yu)(yu)彎(wan)扭耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)，使得結構(gou)在只(zhi)受(shou)到彎(wan)矩作用(yong)時(shi)發(fa)生扭轉。在過去(qu)，葉(xie)片(pian)(pian)(pian)橫(heng)截面耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)效應(ying)是(shi)一(yi)個讓設(she)(she)(she)計(ji)(ji)人員頭疼的(de)(de)難題，設(she)(she)(she)計(ji)(ji)工程想方(fang)設(she)(she)(she)法消除耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)現(xian)象。但在航空領(ling)域人們開(kai)始利用(yong)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)彎(wan)扭耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)，拉剪耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)效應(ying)，提高(gao)機翼的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)。在葉(xie)片(pian)(pian)(pian)上(shang)，引(yin)人彎(wan)扭耦(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)概念，控制葉(xie)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)氣(qi)彈(dan)變形，這就是(shi)氣(qi)彈(dan)剪裁。通過氣(qi)彈(dan)剪裁，降低(di)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)的(de)(de)疲勞載(zai)荷，并優(you)化(hua)功率輸出。

玻(bo)璃(li)(li)纖維增強(qiang)塑料(liao)(玻(bo)璃(li)(li)鋼(gang))是現代風機葉(xie)片(pian)最普遍采用(yong)的(de)(de)復合材料(liao)，玻(bo)璃(li)(li)鋼(gang)以其低廉的(de)(de)價格(ge)，優良(liang)的(de)(de)性(xing)能占據著大(da)型風機葉(xie)片(pian)材料(liao)的(de)(de)統治地位。但隨著葉(xie)片(pian)逐(zhu)漸(jian)變大(da)，風輪直徑已突破120m，最長的(de)(de)葉(xie)片(pian)已做到61.5m，葉(xie)片(pian)自(zi)重達18t。這對材料(liao)的(de)(de)強(qiang)度(du)(du)和剛(gang)度(du)(du)提出(chu)了更加苛刻的(de)(de)要求(qiu)。全玻(bo)璃(li)(li)鋼(gang)葉(xie)片(pian)已無法(fa)滿(man)足葉(xie)片(pian)大(da)型化，輕量化的(de)(de)要求(qiu)。碳(tan)纖維或其它高(gao)強(qiang)纖維隨之被應用(yong)到葉(xie)片(pian)局部區域(yu)，如NEG Micon NM 82.40m長葉(xie)片(pian)，LM61.5m長葉(xie)片(pian)都在高(gao)應力區使用(yong)了碳(tan)纖維。由于葉(xie)片(pian)增大(da)，剛(gang)度(du)(du)逐(zhu)漸(jian)變得重要，已成為(wei)新一代MW級葉(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(yu)你(ni)整臺機組的(de)(de)(de)設計功率和風(feng)場(chang)(chang)狀況。同一風(feng)場(chang)(chang)，功率越(yue)大葉片(pian)越(yue)長。 同一功率，年平均風(feng)速較(jiao)低的(de)(de)(de)風(feng)場(chang)(chang)需(xu)(xu)要更長的(de)(de)(de)葉片(pian)。實際(ji)上(shang)根據研(yan)究，不同風(feng)場(chang)(chang)，需(xu)(xu)與(yu)之配套(tao)的(de)(de)(de)相(xiang)應(ying)功率風(feng)機，才能實現真正的(de)(de)(de)性價比。

另外，同樣長度(du)的葉片(pian)(pian)，由于翼型差(cha)異，功率并不相同。因此葉片(pian)(pian)廠(chang)家盡可能(neng)的在優化葉片(pian)(pian)結構(gou)。實際(ji)上真(zhen)正優秀(xiu)葉片(pian)(pian)的具體形狀的確定(ding)是(shi)個非常(chang)復雜(za)的過程，對流體力(li)學，空氣(qi)動力(li)學非常(chang)高。