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)輸出功率最大化；最大功率限制輸(shu)出；振(zhen)動最(zui)小化和(he)避免(mian)出現共振(zhen)；材料消耗最小化；保證葉片結構局部和整體穩定性；葉片結構滿足適當的強度(du)要求和剛度(du)要求。

風電葉片設(she)計(ji)可分為氣動設(she)計(ji)和結構設(she)計(ji)這兩(liang)個大的(de)階段，其中氣動設(she)計(ji)要求(qiu)滿(man)足(zu)前兩(liang)條目(mu)標(biao)，結構設(she)計(ji)要求(qiu)滿(man)足(zu)后四(si)條目(mu)標(biao)。通(tong)常這兩(liang)個階段不是獨立進行的(de)，而是一個迭代的(de)過(guo)程，葉片厚度必須足(zu)夠以(yi)保證能(neng)夠容納腹板，提高葉片剛度。

1、外形設計

葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)氣動設(she)計(ji)主要(yao)是外(wai)形(xing)優(you)化設(she)計(ji)，這是葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)設(she)計(ji)中至關重要(yao)的(de)(de)(de)一步。外(wai)形(xing)優(you)化設(she)計(ji)中葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)翼(yi)型設(she)計(ji)的(de)(de)(de)優(you)劣直接決定風(feng)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)發(fa)電效率，在(zai)風(feng)機(ji)(ji)運轉條件(jian)下(xia)(xia)，流動的(de)(de)(de)雷(lei)諾數(shu)(shu)比較(jiao)低(di)，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)通常在(zai)低(di)速(su)、高升力系數(shu)(shu)狀(zhuang)態(tai)(tai)下(xia)(xia)運行，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)之間流動干擾造成流動非(fei)常復(fu)雜(za)。針(zhen)對葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)復(fu)雜(za)流動狀(zhuang)態(tai)(tai)以及葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)由葉(xie)(xie)(xie)型在(zai)不(bu)同(tong)(tong)方位的(de)(de)(de)分(fen)布構成，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)設(she)計(ji)變(bian)得非(fei)常重要(yao)。目前葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)通常采用航空上(shang)先(xian)進(jin)的(de)(de)(de)飛機(ji)(ji)機(ji)(ji)翼(yi)翼(yi)型設(she)計(ji)方法設(she)計(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)形(xing)狀(zhuang)。先(xian)進(jin)的(de)(de)(de)CFD技(ji)術(shu)已(yi)廣(guang)泛(fan)應用于不(bu)同(tong)(tong)類型氣動外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)，對于低(di)雷(lei)諾數(shu)(shu)、高升力系數(shu)(shu)狀(zhuang)態(tai)(tai)下(xia)(xia)風(feng)機(ji)(ji)運行條件(jian)，采用考慮(lv)粘性的(de)(de)(de)N-S控制方程分(fen)析葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)流場是非(fei)常必(bi)要(yao)的(de)(de)(de)。

在過去的10多年中(zhong)，水平軸風電(dian)葉片(pian)(pian)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)通常選擇NACA系(xi)(xi)(xi)列(lie)的航(hang)空(kong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)對前緣粗糙度非常敏感，一(yi)旦前緣由于污染變得粗糙，會導致翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)性能大(da)幅度下降，年輸(shu)出功率損失最高達30%。在認識到航(hang)空(kong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)不太適(shi)合于風電(dian)葉片(pian)(pian)后，80年代中(zhong)期后，風電(dian)發達國(guo)家開(kai)(kai)始對葉片(pian)(pian)專用(yong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)進行研(yan)究，并成功開(kai)(kai)發出風電(dian)葉片(pian)(pian)專用(yong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)(xing)系(xi)(xi)(xi)列(lie)，比如美(mei)國(guo)Seri和NREL系(xi)(xi)(xi)列(lie)、丹麥RISO-A系(xi)(xi)(xi)列(lie)、瑞典(dian)FFA-W系(xi)(xi)(xi)列(lie)和荷蘭DU系(xi)(xi)(xi)列(lie)。

這些翼(yi)(yi)型(xing)各有(you)優勢，Seri系(xi)列(lie)對翼(yi)(yi)型(xing)表面(mian)粗(cu)糙(cao)度敏(min)感(gan)性低(di)；RISO-A系(xi)列(lie)在接近失速(su)時具有(you)良(liang)好的(de)失速(su)性能(neng)且對前緣(yuan)粗(cu)糙(cao)度敏(min)感(gan)性低(di)；FFA-W系(xi)列(lie)具有(you)良(liang)好的(de)后失速(su)性能(neng)。丹麥(mai)LM公(gong)司已在大(da)型(xing)風機葉(xie)片上采(cai)用瑞(rui)典FFA-W翼(yi)(yi)型(xing)，風機專用翼(yi)(yi)型(xing)將會在風電葉(xie)片設(she)計中(zhong)廣(guang)泛應用。

目前葉(xie)(xie)片(pian)外形(xing)的(de)(de)設(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)有好幾種，都是(shi)在機翼氣動(dong)理(li)論(lun)(lun)(lun)基礎上發展起(qi)來(lai)的(de)(de)。第一種外形(xing)設(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)是(shi)按照(zhao)貝(bei)(bei)茨(ci)理(li)論(lun)(lun)(lun)得(de)到的(de)(de)簡化設(she)(she)(she)計方法，該方法是(shi)假設(she)(she)(she)風(feng)力機是(shi)按照(zhao)貝(bei)(bei)茨(ci)公式的(de)(de)最佳(jia)條件(jian)運行的(de)(de)，完全(quan)沒有考(kao)慮渦流損(sun)(sun)(sun)失(shi)等,設(she)(she)(she)計出來(lai)的(de)(de)風(feng)輪(lun)(lun)效(xiao)(xiao)率不超(chao)過(guo)40%。后(hou)來(lai)一些(xie)著名的(de)(de)氣動(dong)學家相(xiang)繼(ji)建立(li)了(le)各自的(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)氣動(dong)理(li)論(lun)(lun)(lun)。Schmitz理(li)論(lun)(lun)(lun)考(kao)慮了(le)葉(xie)(xie)片(pian)周向(xiang)渦流損(sun)(sun)(sun)失(shi),設(she)(she)(she)計結果(guo)相(xiang)對準確一些(xie)。Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)考(kao)慮了(le)風(feng)輪(lun)(lun)后(hou)渦流流動(dong)，但忽略了(le)葉(xie)(xie)片(pian)翼型阻力和(he)葉(xie)(xie)稍(shao)損(sun)(sun)(sun)失(shi)的(de)(de)影(ying)響,對葉(xie)(xie)片(pian)外形(xing)影(ying)響較(jiao)小,對風(feng)輪(lun)(lun)效(xiao)(xiao)率影(ying)響卻較(jiao)大。Wilson在Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)基礎上作(zuo)了(le)改(gai)進，研究了(le)葉(xie)(xie)稍(shao)損(sun)(sun)(sun)失(shi)和(he)升阻比對葉(xie)(xie)片(pian)最佳(jia)性(xing)能(neng)的(de)(de)影(ying)響，并且(qie)研究了(le)風(feng)輪(lun)(lun)在非設(she)(she)(she)計工況下的(de)(de)性(xing)能(neng)，是(shi)目前最常用的(de)(de)設(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)。

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2、結構設計

目前大(da)型風電葉(xie)片(pian)的(de)(de)結(jie)構都為蒙皮主梁形(xing)式。蒙皮主要(yao)由雙軸復合材料層增強(qiang)(qiang)，提供氣(qi)動外形(xing)并承擔(dan)大(da)部分剪切載荷(he)。后(hou)緣空腔較(jiao)寬，采用夾芯(xin)結(jie)構，提高其(qi)抗失穩能(neng)力，這與夾芯(xin)結(jie)構大(da)量在汽車上應(ying)用類似(si)。主梁主要(yao)為單(dan)向復合材料層增強(qiang)(qiang)，是(shi)葉(xie)片(pian)的(de)(de)主要(yao)承載結(jie)構。腹(fu)板為夾芯(xin)結(jie)構，對主梁起(qi)到支撐作用。

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，但更多用于模擬分析而不(bu)是設(she)(she)計(ji)，設(she)(she)計(ji)與(yu)模擬必須(xu)交叉進行(xing)，在每一(yi)步設(she)(she)計(ji)完成后(hou)，必須(xu)更新(xin)分析模型，重(zhong)新(xin)得到鋪層(ceng)中的(de)應(ying)力和應(ying)變數據，再返回設(she)(she)計(ji)，更改(gai)鋪層(ceng)方(fang)案，再分析應(ying)力和變形(xing)等(deng)，直(zhi)到滿足(zu)設(she)(she)計(ji)標準(zhun)為(wei)止。因為(wei)復合材(cai)料正交各向異(yi)性的(de)特殊性，葉(xie)片各鋪層(ceng)內的(de)應(ying)力并不(bu)連(lian)續(xu)，而應(ying)變則(ze)相對連(lian)續(xu)，所以葉(xie)片結(jie)構校核(he)的(de)失效準(zhun)則(ze)有(you)時候完全采用應(ying)變失效準(zhun)則(ze)。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)發(fa)展初期，由于(yu)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)較小，有木葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、布(bu)蒙(meng)皮葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、鋼(gang)梁玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)蒙(meng)皮葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、鋁合(he)(he)金葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)等(deng)等(deng)，隨著葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)向大型化(hua)方(fang)向發(fa)展，復合(he)(he)材料(liao)(liao)逐漸取代其他材料(liao)(liao)幾乎成為大型葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)唯一(yi)(yi)可(ke)選(xuan)材料(liao)(liao)。復合(he)(he)材料(liao)(liao)具有其它單一(yi)(yi)材料(liao)(liao)無法比擬(ni)的(de)(de)優(you)勢之一(yi)(yi)就是其可(ke)設(she)計(ji)性(xing)，通過(guo)調整單層的(de)(de)方(fang)向，可(ke)以(yi)獲(huo)得該方(fang)向上所需要的(de)(de)強度和剛度。更重要的(de)(de)是可(ke)利用材料(liao)(liao)的(de)(de)各(ge)向異性(xing)，使結構不同(tong)變(bian)形形式(shi)之間發(fa)生耦合(he)(he)。比如(ru)由于(yu)彎(wan)扭(niu)(niu)(niu)耦合(he)(he)，使得結構在(zai)只受到彎(wan)矩作(zuo)用時發(fa)生扭(niu)(niu)(niu)轉。在(zai)過(guo)去，葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)橫(heng)截面(mian)耦合(he)(he)效應是一(yi)(yi)個讓(rang)設(she)計(ji)人員頭疼的(de)(de)難題，設(she)計(ji)工(gong)程想方(fang)設(she)法消除耦合(he)(he)現象(xiang)。但在(zai)航空領域(yu)人們(men)開始利用復合(he)(he)材料(liao)(liao)的(de)(de)彎(wan)扭(niu)(niu)(niu)耦合(he)(he)，拉剪(jian)(jian)耦合(he)(he)效應，提(ti)高機翼的(de)(de)性(xing)能。在(zai)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)上，引人彎(wan)扭(niu)(niu)(niu)耦合(he)(he)設(she)計(ji)概念，控制葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)氣(qi)彈變(bian)形，這就是氣(qi)彈剪(jian)(jian)裁(cai)。通過(guo)氣(qi)彈剪(jian)(jian)裁(cai)，降低葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)(de)疲(pi)勞載荷，并優(you)化(hua)功率輸出。

玻璃纖(xian)維(wei)增(zeng)強塑(su)料(liao)(玻璃鋼)是現代風(feng)機(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)最普遍采(cai)用(yong)的復(fu)合(he)材料(liao)，玻璃鋼以其低廉的價格，優(you)良的性(xing)能占據著大型(xing)風(feng)機(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)材料(liao)的統治地位。但(dan)隨(sui)著葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)逐漸變大，風(feng)輪直(zhi)徑已(yi)突破120m，最長(chang)的葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)已(yi)做到(dao)61.5m，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)自重達18t。這對材料(liao)的強度(du)和剛(gang)度(du)提出了(le)更加(jia)苛刻(ke)的要求。全玻璃鋼葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)已(yi)無法滿(man)足葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)大型(xing)化，輕量化的要求。碳纖(xian)維(wei)或其它高強纖(xian)維(wei)隨(sui)之被(bei)應(ying)用(yong)到(dao)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)局部(bu)區(qu)域，如(ru)NEG Micon NM 82.40m長(chang)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)，LM61.5m長(chang)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)都(dou)在(zai)高應(ying)力區(qu)使(shi)用(yong)了(le)碳纖(xian)維(wei)。由于葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)增(zeng)大，剛(gang)度(du)逐漸變得重要，已(yi)成(cheng)為新一代MW級葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)設(she)計。

二、風力發電機葉片長度

風力發電機葉片長度取決于(yu)你整臺機組(zu)的(de)設計功(gong)(gong)率和(he)風場(chang)(chang)狀況。同(tong)(tong)一風場(chang)(chang)，功(gong)(gong)率越大葉片越長(chang)。 同(tong)(tong)一功(gong)(gong)率，年平均(jun)風速較(jiao)低(di)的(de)風場(chang)(chang)需(xu)要更(geng)長(chang)的(de)葉片。實際上根據研究(jiu)，不(bu)同(tong)(tong)風場(chang)(chang)，需(xu)與之配(pei)套的(de)相應功(gong)(gong)率風機，才能(neng)實現真正的(de)性(xing)價比(bi)。

另(ling)外，同(tong)樣長度的葉(xie)片(pian)(pian)，由于翼(yi)型(xing)差異，功率并不相(xiang)同(tong)。因此葉(xie)片(pian)(pian)廠家盡(jin)可(ke)能的在優化葉(xie)片(pian)(pian)結構(gou)。實際(ji)上真(zhen)正優秀葉(xie)片(pian)(pian)的具體形(xing)狀的確定(ding)是個(ge)非(fei)常(chang)復雜(za)的過程，對流體力學，空氣動力學非(fei)常(chang)高。