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(da)化；最(zui)大(da)功率限制輸(shu)出；振動最小化(hua)和避免出現共振；材料消耗(hao)最小化(hua)；保證葉片結構局部和(he)整體穩定性；葉(xie)片結構滿足適(shi)當的(de)強度(du)要求和剛度(du)要求。

風(feng)電(dian)葉(xie)片(pian)設(she)計可分為氣動設(she)計和結構(gou)設(she)計這(zhe)(zhe)兩個(ge)大的(de)階(jie)段，其中氣動設(she)計要求(qiu)滿足前兩條目標，結構(gou)設(she)計要求(qiu)滿足后四條目標。通常這(zhe)(zhe)兩個(ge)階(jie)段不是(shi)獨立進行的(de)，而(er)是(shi)一個(ge)迭代的(de)過程，葉(xie)片(pian)厚度必須足夠(gou)以保(bao)證能夠(gou)容納腹板，提高(gao)葉(xie)片(pian)剛度。

1、外形設計

葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)氣(qi)動設(she)(she)(she)計(ji)(ji)主要(yao)是外(wai)形(xing)優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)，這是葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)中至關重要(yao)的(de)(de)(de)一步(bu)。外(wai)形(xing)優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)中葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)翼(yi)型設(she)(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)優劣(lie)直(zhi)接決(jue)定(ding)風機(ji)的(de)(de)(de)發電效率(lv)，在風機(ji)運(yun)轉條(tiao)件(jian)下，流動的(de)(de)(de)雷諾數(shu)比較低(di)，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)通常(chang)在低(di)速、高(gao)升(sheng)力(li)系數(shu)狀(zhuang)態下運(yun)行，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)之間流動干(gan)擾造成(cheng)(cheng)流動非(fei)常(chang)復雜(za)。針對葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)復雜(za)流動狀(zhuang)態以(yi)及葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)由(you)葉(xie)(xie)(xie)型在不(bu)同方位的(de)(de)(de)分布構成(cheng)(cheng)，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)重要(yao)。目前葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)技(ji)術通常(chang)采用(yong)(yong)航(hang)空上先進的(de)(de)(de)飛機(ji)機(ji)翼(yi)翼(yi)型設(she)(she)(she)計(ji)(ji)方法設(she)(she)(she)計(ji)(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)形(xing)狀(zhuang)。先進的(de)(de)(de)CFD技(ji)術已(yi)廣(guang)泛應用(yong)(yong)于(yu)不(bu)同類型氣(qi)動外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)，對于(yu)低(di)雷諾數(shu)、高(gao)升(sheng)力(li)系數(shu)狀(zhuang)態下風機(ji)運(yun)行條(tiao)件(jian)，采用(yong)(yong)考慮粘性的(de)(de)(de)N-S控(kong)制方程分析葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型的(de)(de)(de)流場是非(fei)常(chang)必要(yao)的(de)(de)(de)。

在過去的10多年(nian)中(zhong)，水(shui)平軸風(feng)(feng)電(dian)葉片翼(yi)(yi)(yi)型(xing)通常選(xuan)擇NACA系(xi)(xi)列(lie)(lie)的航空(kong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)，比(bi)如(ru)NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼(yi)(yi)(yi)型(xing)對前緣(yuan)粗糙度非常敏感，一旦前緣(yuan)由于污染變得粗糙，會(hui)導致(zhi)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)性能大(da)幅度下降，年(nian)輸(shu)出功率損(sun)失(shi)最高(gao)達30%。在認識到航空(kong)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)不太(tai)適合于風(feng)(feng)電(dian)葉片后(hou)，80年(nian)代中(zhong)期后(hou)，風(feng)(feng)電(dian)發(fa)達國家(jia)開(kai)始對葉片專用翼(yi)(yi)(yi)型(xing)進行研(yan)究，并成功開(kai)發(fa)出風(feng)(feng)電(dian)葉片專用翼(yi)(yi)(yi)型(xing)系(xi)(xi)列(lie)(lie)，比(bi)如(ru)美國Seri和(he)NREL系(xi)(xi)列(lie)(lie)、丹麥RISO-A系(xi)(xi)列(lie)(lie)、瑞典FFA-W系(xi)(xi)列(lie)(lie)和(he)荷(he)蘭DU系(xi)(xi)列(lie)(lie)。

這些(xie)翼(yi)型各有優(you)勢，Seri系列(lie)(lie)對翼(yi)型表面(mian)粗糙度(du)敏感(gan)(gan)性低(di)；RISO-A系列(lie)(lie)在(zai)接近失(shi)速時具(ju)有良好的(de)失(shi)速性能(neng)且(qie)對前緣粗糙度(du)敏感(gan)(gan)性低(di)；FFA-W系列(lie)(lie)具(ju)有良好的(de)后(hou)失(shi)速性能(neng)。丹麥LM公司已在(zai)大型風(feng)機葉片(pian)上(shang)采(cai)用(yong)(yong)瑞典FFA-W翼(yi)型，風(feng)機專用(yong)(yong)翼(yi)型將會在(zai)風(feng)電葉片(pian)設(she)計中(zhong)廣泛應用(yong)(yong)。

目前(qian)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)外形(xing)(xing)的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)有(you)好幾(ji)種(zhong)，都(dou)是在(zai)機(ji)翼(yi)氣(qi)動(dong)理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)基(ji)礎上發展起(qi)來(lai)的(de)(de)(de)。第一種(zhong)外形(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)是按照貝茨理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)得(de)到的(de)(de)(de)簡化設(she)(she)(she)(she)計方法，該方法是假(jia)設(she)(she)(she)(she)風力機(ji)是按照貝茨公式的(de)(de)(de)最佳(jia)(jia)條件運行(xing)的(de)(de)(de)，完全沒有(you)考慮(lv)渦流損失等,設(she)(she)(she)(she)計出來(lai)的(de)(de)(de)風輪(lun)效率不(bu)超(chao)過40%。后(hou)來(lai)一些(xie)著名的(de)(de)(de)氣(qi)動(dong)學家(jia)相(xiang)繼建立(li)了(le)(le)各自的(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)氣(qi)動(dong)理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)。Schmitz理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)考慮(lv)了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)周向渦流損失,設(she)(she)(she)(she)計結果相(xiang)對(dui)(dui)準確(que)一些(xie)。Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)考慮(lv)了(le)(le)風輪(lun)后(hou)渦流流動(dong)，但忽略了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)翼(yi)型(xing)阻(zu)力和(he)葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍(shao)損失的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang),對(dui)(dui)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)外形(xing)(xing)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)較(jiao)小,對(dui)(dui)風輪(lun)效率影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)卻(que)較(jiao)大。Wilson在(zai)Glauert理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)基(ji)礎上作了(le)(le)改進，研究了(le)(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍(shao)損失和(he)升阻(zu)比對(dui)(dui)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)最佳(jia)(jia)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)，并且研究了(le)(le)風輪(lun)在(zai)非設(she)(she)(she)(she)計工況下的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)，是目前(qian)最常用的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計理(li)論(lun)(lun)(lun)(lun)(lun)。

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2、結構設計

目(mu)前(qian)大(da)型風電葉(xie)片的結構(gou)都為蒙皮(pi)主(zhu)梁形(xing)式。蒙皮(pi)主(zhu)要(yao)由雙軸(zhou)復合材料(liao)層增強，提供氣動(dong)外形(xing)并承(cheng)擔(dan)大(da)部分剪(jian)切載荷。后緣(yuan)空腔(qiang)較(jiao)寬(kuan)，采用夾芯結構(gou)，提高其抗失穩能力，這與夾芯結構(gou)大(da)量在汽車上應用類(lei)似。主(zhu)梁主(zhu)要(yao)為單向復合材料(liao)層增強，是(shi)葉(xie)片的主(zhu)要(yao)承(cheng)載結構(gou)。腹(fu)板(ban)為夾芯結構(gou)，對主(zhu)梁起到支撐作(zuo)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(fen)析而不(bu)是設(she)(she)計(ji)，設(she)(she)計(ji)與模(mo)擬必須交叉進行，在每一步設(she)(she)計(ji)完成后，必須更新分(fen)析模(mo)型，重新得到(dao)鋪層中的(de)應(ying)力(li)(li)和(he)應(ying)變數據，再返(fan)回設(she)(she)計(ji)，更改鋪層方(fang)案，再分(fen)析應(ying)力(li)(li)和(he)變形(xing)等，直到(dao)滿足設(she)(she)計(ji)標準為止。因為復合材料正(zheng)交各向異性(xing)的(de)特殊性(xing)，葉片各鋪層內的(de)應(ying)力(li)(li)并不(bu)連續，而應(ying)變則相對連續，所以葉片結構校核的(de)失效準則有(you)時候完全采用(yong)應(ying)變失效準則。

3、材料選擇

風電(dian)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)發展初期(qi)，由于葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)較小，有(you)木(mu)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)、布蒙皮(pi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)、鋼梁玻璃纖維蒙皮(pi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)、鋁合(he)(he)金葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)等等，隨著葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)向(xiang)(xiang)大(da)(da)型化方(fang)向(xiang)(xiang)發展，復合(he)(he)材(cai)料(liao)逐漸取代其(qi)他(ta)材(cai)料(liao)幾乎成(cheng)為大(da)(da)型葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)唯一(yi)可選材(cai)料(liao)。復合(he)(he)材(cai)料(liao)具有(you)其(qi)它單一(yi)材(cai)料(liao)無(wu)法比擬的(de)(de)優勢之一(yi)就(jiu)是(shi)(shi)其(qi)可設計(ji)性(xing)，通過(guo)(guo)調整單層的(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)，可以獲得(de)該(gai)方(fang)向(xiang)(xiang)上(shang)所需要的(de)(de)強度和(he)剛度。更重要的(de)(de)是(shi)(shi)可利(li)用(yong)材(cai)料(liao)的(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性(xing)，使結構不同變形(xing)形(xing)式之間發生耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)。比如由于彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)，使得(de)結構在(zai)(zai)只受(shou)到彎(wan)矩作(zuo)用(yong)時發生扭(niu)轉。在(zai)(zai)過(guo)(guo)去，葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)橫截(jie)面耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)效(xiao)應是(shi)(shi)一(yi)個讓設計(ji)人員頭疼的(de)(de)難題(ti)，設計(ji)工程想(xiang)方(fang)設法消除(chu)耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)現象(xiang)。但在(zai)(zai)航(hang)空(kong)領(ling)域人們開(kai)始利(li)用(yong)復合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)，拉(la)剪耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)效(xiao)應，提高機(ji)翼(yi)的(de)(de)性(xing)能(neng)。在(zai)(zai)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)上(shang)，引人彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)(ou)(ou)合(he)(he)設計(ji)概念，控制葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)氣(qi)彈(dan)變形(xing)，這就(jiu)是(shi)(shi)氣(qi)彈(dan)剪裁(cai)。通過(guo)(guo)氣(qi)彈(dan)剪裁(cai)，降(jiang)低葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)疲勞載荷，并優化功率輸出。

玻(bo)(bo)璃纖(xian)(xian)維(wei)增強(qiang)(qiang)塑(su)料(玻(bo)(bo)璃鋼)是現代風機(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)最普(pu)遍(bian)采用(yong)的(de)(de)(de)(de)復合(he)材料，玻(bo)(bo)璃鋼以其低廉的(de)(de)(de)(de)價(jia)格，優良的(de)(de)(de)(de)性能占據著(zhu)大型風機(ji)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)材料的(de)(de)(de)(de)統治地(di)位。但隨(sui)著(zhu)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)逐漸變(bian)大，風輪直(zhi)徑已(yi)突破120m，最長的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)已(yi)做到61.5m，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)自重達18t。這對材料的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)和剛度(du)提出了(le)更加苛(ke)刻的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)(qiu)。全玻(bo)(bo)璃鋼葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)已(yi)無(wu)法(fa)滿足葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)大型化，輕量(liang)化的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)(qiu)。碳纖(xian)(xian)維(wei)或其它高強(qiang)(qiang)纖(xian)(xian)維(wei)隨(sui)之被應(ying)用(yong)到葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)局部區域(yu)，如NEG Micon NM 82.40m長葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)，LM61.5m長葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)都在(zai)高應(ying)力區使用(yong)了(le)碳纖(xian)(xian)維(wei)。由于葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)增大，剛度(du)逐漸變(bian)得(de)重要，已(yi)成(cheng)為新(xin)一代MW級葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(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(jue)于你整(zheng)臺機組的(de)設計功(gong)率(lv)和(he)風(feng)(feng)場(chang)狀況。同一(yi)風(feng)(feng)場(chang)，功(gong)率(lv)越大葉片越長(chang)。 同一(yi)功(gong)率(lv)，年平均風(feng)(feng)速(su)較低的(de)風(feng)(feng)場(chang)需要更長(chang)的(de)葉片。實際上根據研(yan)究(jiu)，不同風(feng)(feng)場(chang)，需與(yu)之配(pei)套的(de)相應(ying)功(gong)率(lv)風(feng)(feng)機，才能實現真正的(de)性(xing)價比。

另(ling)外(wai)，同(tong)樣長度的葉片，由于翼型差(cha)異，功率并(bing)不相同(tong)。因此(ci)葉片廠(chang)家盡可能的在優化葉片結構。實(shi)際上真正優秀葉片的具(ju)體(ti)形(xing)狀的確(que)定是個(ge)非(fei)常復雜的過程，對流體(ti)力(li)學(xue)(xue)，空氣(qi)動力(li)學(xue)(xue)非(fei)常高。