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(lv)最大化；最大功率限制輸出；振(zhen)動最小化和避(bi)免出現共振(zhen)；材料(liao)消耗最小化；保證(zheng)葉片結構局部和整體穩定性；葉片結構(gou)滿足適當的(de)強度(du)要(yao)求和(he)剛度(du)要(yao)求。

風電(dian)葉(xie)片(pian)設計可分為氣(qi)動設計和結(jie)構設計這(zhe)兩個(ge)大的(de)(de)階段，其中氣(qi)動設計要(yao)求(qiu)滿足(zu)前兩條(tiao)目標(biao)，結(jie)構設計要(yao)求(qiu)滿足(zu)后四條(tiao)目標(biao)。通常這(zhe)兩個(ge)階段不(bu)是(shi)獨立進(jin)行的(de)(de)，而是(shi)一個(ge)迭代的(de)(de)過程，葉(xie)片(pian)厚度必須足(zu)夠以保證能夠容納(na)腹板，提(ti)高葉(xie)片(pian)剛度。

1、外形設計

葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)氣動(dong)設(she)計主(zhu)要是外形優(you)化(hua)(hua)設(she)計，這是葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)設(she)計中至關重要的(de)(de)一(yi)步。外形優(you)化(hua)(hua)設(she)計中葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)翼型(xing)設(she)計的(de)(de)優(you)劣直接決定風機的(de)(de)發電(dian)效率，在(zai)風機運(yun)轉條(tiao)件(jian)下(xia)，流(liu)動(dong)的(de)(de)雷(lei)諾數(shu)比(bi)較低(di)(di)，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)通常(chang)在(zai)低(di)(di)速、高升(sheng)力系(xi)數(shu)狀(zhuang)態下(xia)運(yun)行(xing)，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)之間流(liu)動(dong)干擾造成(cheng)流(liu)動(dong)非(fei)(fei)常(chang)復(fu)雜。針對葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)外形的(de)(de)復(fu)雜流(liu)動(dong)狀(zhuang)態以及葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)由葉(xie)(xie)型(xing)在(zai)不同方位(wei)的(de)(de)分布構(gou)成(cheng)，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)設(she)計變得非(fei)(fei)常(chang)重要。目前葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)設(she)計技術通常(chang)采用航空上先(xian)進的(de)(de)飛機機翼翼型(xing)設(she)計方法設(she)計葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)形狀(zhuang)。先(xian)進的(de)(de)CFD技術已廣泛(fan)應用于不同類型(xing)氣動(dong)外形的(de)(de)設(she)計，對于低(di)(di)雷(lei)諾數(shu)、高升(sheng)力系(xi)數(shu)狀(zhuang)態下(xia)風機運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)，采用考慮粘性的(de)(de)N-S控(kong)制(zhi)方程分析葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)流(liu)場是非(fei)(fei)常(chang)必要的(de)(de)。

在(zai)過去的(de)10多(duo)年中(zhong)，水平軸(zhou)風電(dian)葉片翼型(xing)(xing)(xing)通常(chang)選擇NACA系列(lie)(lie)的(de)航空翼型(xing)(xing)(xing)，比如(ru)NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼型(xing)(xing)(xing)對前(qian)緣(yuan)粗(cu)糙(cao)度非常(chang)敏感，一(yi)旦(dan)前(qian)緣(yuan)由于(yu)污(wu)染變得粗(cu)糙(cao)，會導致翼型(xing)(xing)(xing)性(xing)能大(da)幅度下降，年輸(shu)出功(gong)(gong)率損(sun)失最高達30%。在(zai)認識到航空翼型(xing)(xing)(xing)不太適合于(yu)風電(dian)葉片后(hou)，80年代中(zhong)期后(hou)，風電(dian)發達國(guo)家開始對葉片專(zhuan)用翼型(xing)(xing)(xing)進行(xing)研究，并成功(gong)(gong)開發出風電(dian)葉片專(zhuan)用翼型(xing)(xing)(xing)系列(lie)(lie)，比如(ru)美國(guo)Seri和NREL系列(lie)(lie)、丹麥RISO-A系列(lie)(lie)、瑞典FFA-W系列(lie)(lie)和荷蘭DU系列(lie)(lie)。

這(zhe)些翼(yi)型(xing)(xing)各有優勢，Seri系(xi)列對翼(yi)型(xing)(xing)表面粗糙度(du)敏感(gan)性(xing)(xing)低；RISO-A系(xi)列在接近(jin)失速(su)時具(ju)(ju)有良好的失速(su)性(xing)(xing)能且對前緣粗糙度(du)敏感(gan)性(xing)(xing)低；FFA-W系(xi)列具(ju)(ju)有良好的后失速(su)性(xing)(xing)能。丹麥LM公司已在大型(xing)(xing)風機葉片(pian)上采用瑞典(dian)FFA-W翼(yi)型(xing)(xing)，風機專用翼(yi)型(xing)(xing)將會在風電(dian)葉片(pian)設計(ji)中廣泛應用。

目前葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)外(wai)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計理(li)(li)(li)論(lun)有好幾種，都(dou)是(shi)在機翼(yi)氣(qi)(qi)動理(li)(li)(li)論(lun)基礎(chu)上(shang)發展(zhan)起來的(de)(de)(de)(de)(de)。第一(yi)種外(wai)形(xing)設(she)(she)計理(li)(li)(li)論(lun)是(shi)按(an)照(zhao)貝(bei)茨理(li)(li)(li)論(lun)得到的(de)(de)(de)(de)(de)簡化設(she)(she)計方(fang)法，該方(fang)法是(shi)假設(she)(she)風(feng)力(li)機是(shi)按(an)照(zhao)貝(bei)茨公式的(de)(de)(de)(de)(de)最佳條(tiao)件運行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，完全(quan)沒(mei)有考慮(lv)渦流(liu)(liu)損失等,設(she)(she)計出來的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)輪效(xiao)率不(bu)超過(guo)40%。后來一(yi)些著名的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)動學(xue)家相繼建(jian)立了(le)各(ge)自(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)氣(qi)(qi)動理(li)(li)(li)論(lun)。Schmitz理(li)(li)(li)論(lun)考慮(lv)了(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)周向(xiang)渦流(liu)(liu)損失,設(she)(she)計結果相對準確一(yi)些。Glauert理(li)(li)(li)論(lun)考慮(lv)了(le)風(feng)輪后渦流(liu)(liu)流(liu)(liu)動，但(dan)忽略(lve)了(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)翼(yi)型阻(zu)力(li)和葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍損失的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang),對葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)外(wai)形(xing)影響(xiang)較小(xiao),對風(feng)輪效(xiao)率影響(xiang)卻較大。Wilson在Glauert理(li)(li)(li)論(lun)基礎(chu)上(shang)作(zuo)了(le)改進(jin)，研究(jiu)了(le)葉(xie)(xie)(xie)(xie)稍損失和升阻(zu)比對葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)最佳性能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，并且研究(jiu)了(le)風(feng)輪在非設(she)(she)計工(gong)況下的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)，是(shi)目前最常(chang)用的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計理(li)(li)(li)論(lun)。

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2、結構設計

目前大型風(feng)電葉(xie)片的(de)結(jie)構(gou)(gou)(gou)都為蒙(meng)皮主(zhu)(zhu)梁形(xing)式。蒙(meng)皮主(zhu)(zhu)要(yao)由雙軸復合(he)材料層增強，提供(gong)氣動外形(xing)并承擔大部分剪切載(zai)荷。后緣空腔較寬，采(cai)用夾(jia)(jia)芯結(jie)構(gou)(gou)(gou)，提高其抗失穩能力，這(zhe)與夾(jia)(jia)芯結(jie)構(gou)(gou)(gou)大量在汽車(che)上(shang)應(ying)用類似。主(zhu)(zhu)梁主(zhu)(zhu)要(yao)為單向(xiang)復合(he)材料層增強，是葉(xie)片的(de)主(zhu)(zhu)要(yao)承載(zai)結(jie)構(gou)(gou)(gou)。腹(fu)板為夾(jia)(jia)芯結(jie)構(gou)(gou)(gou)，對(dui)主(zhu)(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(ni)分(fen)析而(er)不是設(she)計，設(she)計與模(mo)擬(ni)必須交叉進行，在每一步設(she)計完(wan)成(cheng)后，必須更新(xin)分(fen)析模(mo)型，重新(xin)得到鋪層中的(de)應(ying)(ying)力(li)和應(ying)(ying)變數(shu)據，再返回設(she)計，更改鋪層方案，再分(fen)析應(ying)(ying)力(li)和變形(xing)等(deng)，直到滿足設(she)計標準為止。因(yin)為復合材料正交各向異性的(de)特殊性，葉(xie)片各鋪層內的(de)應(ying)(ying)力(li)并(bing)不連續，而(er)應(ying)(ying)變則相(xiang)對連續，所以葉(xie)片結構校核的(de)失效準則有時候完(wan)全采用應(ying)(ying)變失效準則。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)發(fa)展初(chu)期，由于葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)較小，有(you)木葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、布(bu)蒙(meng)(meng)皮(pi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、鋼梁玻璃纖維蒙(meng)(meng)皮(pi)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)、鋁合(he)(he)(he)金葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)等等，隨著葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)向大型化方向發(fa)展，復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)逐漸取代(dai)其(qi)(qi)他材(cai)料(liao)(liao)幾乎成為大型葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)唯一(yi)可選材(cai)料(liao)(liao)。復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)具有(you)其(qi)(qi)它(ta)單一(yi)材(cai)料(liao)(liao)無法比(bi)擬的(de)優勢之(zhi)一(yi)就(jiu)(jiu)是(shi)其(qi)(qi)可設計(ji)性，通(tong)過調(diao)整(zheng)單層的(de)方向，可以獲得該方向上(shang)所需要(yao)的(de)強(qiang)度和剛度。更重要(yao)的(de)是(shi)可利(li)用材(cai)料(liao)(liao)的(de)各向異(yi)性，使結構不同變形形式之(zhi)間發(fa)生耦合(he)(he)(he)。比(bi)如由于彎(wan)扭耦合(he)(he)(he)，使得結構在(zai)只(zhi)受到(dao)彎(wan)矩作用時發(fa)生扭轉。在(zai)過去，葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)橫截面耦合(he)(he)(he)效應是(shi)一(yi)個讓設計(ji)人員頭疼(teng)的(de)難題(ti)，設計(ji)工程想方設法消(xiao)除耦合(he)(he)(he)現象。但(dan)在(zai)航空(kong)領域人們開始利(li)用復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)的(de)彎(wan)扭耦合(he)(he)(he)，拉(la)剪耦合(he)(he)(he)效應，提高機翼(yi)的(de)性能。在(zai)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)上(shang)，引(yin)人彎(wan)扭耦合(he)(he)(he)設計(ji)概(gai)念，控制葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)氣彈變形，這就(jiu)(jiu)是(shi)氣彈剪裁(cai)。通(tong)過氣彈剪裁(cai)，降低(di)葉(xie)(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)的(de)疲勞載荷，并優化功率輸出。

玻璃(li)纖維(wei)(wei)增強(qiang)(qiang)塑(su)料(liao)(玻璃(li)鋼(gang)(gang))是現代(dai)風(feng)機(ji)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)最(zui)普遍(bian)采用(yong)的(de)復合(he)材料(liao)，玻璃(li)鋼(gang)(gang)以其(qi)低廉的(de)價格，優良的(de)性能(neng)占據著大型風(feng)機(ji)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)材料(liao)的(de)統治地位。但隨(sui)著葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)逐(zhu)(zhu)漸變大，風(feng)輪(lun)直(zhi)徑已突破120m，最(zui)長的(de)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)已做到61.5m，葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)自重達18t。這對材料(liao)的(de)強(qiang)(qiang)度和剛(gang)度提出了(le)(le)更(geng)加(jia)苛刻的(de)要(yao)求(qiu)。全玻璃(li)鋼(gang)(gang)葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)已無法滿足葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)大型化，輕量化的(de)要(yao)求(qiu)。碳纖維(wei)(wei)或其(qi)它高強(qiang)(qiang)纖維(wei)(wei)隨(sui)之被(bei)應用(yong)到葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)局部區域，如(ru)NEG Micon NM 82.40m長葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)，LM61.5m長葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)都在高應力(li)區使用(yong)了(le)(le)碳纖維(wei)(wei)。由于葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)增大，剛(gang)度逐(zhu)(zhu)漸變得重要(yao)，已成(cheng)為新一代(dai)MW級葉(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)設計(ji)。

二、風力發電機葉片長度

風力發電機葉片長度取決(jue)于(yu)你整臺機(ji)組的(de)(de)設(she)計功(gong)(gong)率和風(feng)(feng)(feng)場狀況。同一(yi)風(feng)(feng)(feng)場，功(gong)(gong)率越大(da)葉片越長。 同一(yi)功(gong)(gong)率，年平均(jun)風(feng)(feng)(feng)速較低的(de)(de)風(feng)(feng)(feng)場需要更(geng)長的(de)(de)葉片。實際上根據研究，不同風(feng)(feng)(feng)場，需與(yu)之配套的(de)(de)相應功(gong)(gong)率風(feng)(feng)(feng)機(ji)，才能實現真(zhen)正(zheng)的(de)(de)性(xing)價比。

另外，同樣(yang)長度的(de)葉片(pian)，由于翼(yi)型差異(yi)，功率并不相同。因此(ci)葉片(pian)廠(chang)家盡可能的(de)在(zai)優(you)(you)化葉片(pian)結構。實(shi)際上真正(zheng)優(you)(you)秀葉片(pian)的(de)具體(ti)形狀的(de)確定是個非(fei)常(chang)(chang)復雜的(de)過程，對流體(ti)力(li)學(xue)，空(kong)氣動力(li)學(xue)非(fei)常(chang)(chang)高。