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(hua)；最大(da)功率限制輸出(chu)；振(zhen)動最小(xiao)化(hua)和避(bi)免出現共振(zhen)；材料消耗最小化；保證葉片結構局部和整(zheng)體穩定(ding)性；葉片結構滿足(zu)適當的強度要(yao)求(qiu)和剛度要(yao)求(qiu)。

風電葉(xie)片(pian)設(she)計可分為氣(qi)動(dong)設(she)計和結構(gou)設(she)計這(zhe)兩(liang)個(ge)(ge)大的(de)階(jie)(jie)段，其中氣(qi)動(dong)設(she)計要(yao)求滿(man)足(zu)(zu)前兩(liang)條(tiao)目標，結構(gou)設(she)計要(yao)求滿(man)足(zu)(zu)后四條(tiao)目標。通常這(zhe)兩(liang)個(ge)(ge)階(jie)(jie)段不是獨立進行的(de)，而是一個(ge)(ge)迭(die)代的(de)過(guo)程，葉(xie)片(pian)厚度(du)(du)必須足(zu)(zu)夠(gou)以保證能夠(gou)容納腹板，提(ti)高(gao)葉(xie)片(pian)剛度(du)(du)。

1、外形設計

葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)氣動(dong)設(she)(she)計主要(yao)(yao)是外(wai)(wai)形(xing)(xing)(xing)優(you)化設(she)(she)計，這是葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)設(she)(she)計中至關重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)一(yi)步。外(wai)(wai)形(xing)(xing)(xing)優(you)化設(she)(she)計中葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)翼(yi)型(xing)(xing)設(she)(she)計的(de)(de)(de)優(you)劣直接決(jue)定(ding)風機的(de)(de)(de)發電效率(lv)，在(zai)風機運(yun)轉條(tiao)件(jian)下(xia)，流(liu)(liu)動(dong)的(de)(de)(de)雷(lei)諾數比較低，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)通(tong)(tong)常在(zai)低速(su)、高升力(li)系數狀(zhuang)態下(xia)運(yun)行，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)之間(jian)流(liu)(liu)動(dong)干擾造成流(liu)(liu)動(dong)非常復雜(za)。針對葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)外(wai)(wai)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)復雜(za)流(liu)(liu)動(dong)狀(zhuang)態以(yi)及葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)由(you)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)在(zai)不同(tong)方位的(de)(de)(de)分布構成，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)設(she)(she)計變得非常重要(yao)(yao)。目前葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)設(she)(she)計技術通(tong)(tong)常采用航空上先進的(de)(de)(de)飛(fei)機機翼(yi)翼(yi)型(xing)(xing)設(she)(she)計方法設(she)(she)計葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)(xing)狀(zhuang)。先進的(de)(de)(de)CFD技術已廣泛應用于(yu)不同(tong)類型(xing)(xing)氣動(dong)外(wai)(wai)形(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)設(she)(she)計，對于(yu)低雷(lei)諾數、高升力(li)系數狀(zhuang)態下(xia)風機運(yun)行條(tiao)件(jian)，采用考慮(lv)粘性的(de)(de)(de)N-S控制(zhi)方程分析葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)場是非常必要(yao)(yao)的(de)(de)(de)。

在(zai)過去(qu)的10多(duo)年中，水平軸風(feng)(feng)電葉(xie)片(pian)翼(yi)(yi)(yi)型(xing)通常(chang)選擇NACA系(xi)(xi)列(lie)的航空翼(yi)(yi)(yi)型(xing)，比(bi)如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這(zhe)些翼(yi)(yi)(yi)型(xing)對前(qian)緣(yuan)粗糙度非常(chang)敏感(gan)，一旦前(qian)緣(yuan)由(you)于(yu)污染變得粗糙，會導致翼(yi)(yi)(yi)型(xing)性(xing)能大(da)幅度下(xia)降，年輸出功率損失(shi)最(zui)高(gao)達30%。在(zai)認(ren)識到航空翼(yi)(yi)(yi)型(xing)不太適合于(yu)風(feng)(feng)電葉(xie)片(pian)后(hou)，80年代中期后(hou)，風(feng)(feng)電發達國家(jia)開(kai)始(shi)對葉(xie)片(pian)專用翼(yi)(yi)(yi)型(xing)進行研(yan)究，并成功開(kai)發出風(feng)(feng)電葉(xie)片(pian)專用翼(yi)(yi)(yi)型(xing)系(xi)(xi)列(lie)，比(bi)如美國Seri和NREL系(xi)(xi)列(lie)、丹麥RISO-A系(xi)(xi)列(lie)、瑞典FFA-W系(xi)(xi)列(lie)和荷(he)蘭DU系(xi)(xi)列(lie)。

這(zhe)些翼(yi)型各有(you)優(you)勢，Seri系列對(dui)(dui)翼(yi)型表面粗糙度敏感(gan)性(xing)低(di)；RISO-A系列在接近失(shi)(shi)速時具(ju)有(you)良好的失(shi)(shi)速性(xing)能且對(dui)(dui)前(qian)緣粗糙度敏感(gan)性(xing)低(di)；FFA-W系列具(ju)有(you)良好的后失(shi)(shi)速性(xing)能。丹(dan)麥LM公司(si)已在大型風機(ji)葉片上采用(yong)(yong)瑞典FFA-W翼(yi)型，風機(ji)專用(yong)(yong)翼(yi)型將會在風電葉片設計中(zhong)廣泛應用(yong)(yong)。

目前葉片(pian)(pian)外形(xing)的(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)有好幾種，都是(shi)(shi)在(zai)機(ji)翼氣(qi)動(dong)(dong)理(li)論(lun)(lun)基礎上(shang)發(fa)展起(qi)來(lai)的(de)(de)。第一(yi)種外形(xing)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)是(shi)(shi)按照貝(bei)(bei)茨理(li)論(lun)(lun)得(de)到(dao)的(de)(de)簡化設(she)(she)計(ji)(ji)方法，該(gai)方法是(shi)(shi)假設(she)(she)風(feng)力(li)機(ji)是(shi)(shi)按照貝(bei)(bei)茨公式的(de)(de)最(zui)佳條(tiao)件運(yun)行的(de)(de)，完全沒有考慮渦流損(sun)失(shi)等,設(she)(she)計(ji)(ji)出來(lai)的(de)(de)風(feng)輪(lun)效(xiao)(xiao)率不超(chao)過(guo)40%。后(hou)來(lai)一(yi)些著名的(de)(de)氣(qi)動(dong)(dong)學(xue)家(jia)相(xiang)繼建立了(le)各自的(de)(de)葉片(pian)(pian)氣(qi)動(dong)(dong)理(li)論(lun)(lun)。Schmitz理(li)論(lun)(lun)考慮了(le)葉片(pian)(pian)周向渦流損(sun)失(shi),設(she)(she)計(ji)(ji)結(jie)果相(xiang)對(dui)準確一(yi)些。Glauert理(li)論(lun)(lun)考慮了(le)風(feng)輪(lun)后(hou)渦流流動(dong)(dong)，但忽(hu)略了(le)葉片(pian)(pian)翼型阻(zu)力(li)和(he)葉稍損(sun)失(shi)的(de)(de)影(ying)響(xiang),對(dui)葉片(pian)(pian)外形(xing)影(ying)響(xiang)較小,對(dui)風(feng)輪(lun)效(xiao)(xiao)率影(ying)響(xiang)卻(que)較大。Wilson在(zai)Glauert理(li)論(lun)(lun)基礎上(shang)作(zuo)了(le)改進，研(yan)究(jiu)了(le)葉稍損(sun)失(shi)和(he)升(sheng)阻(zu)比對(dui)葉片(pian)(pian)最(zui)佳性能的(de)(de)影(ying)響(xiang)，并且研(yan)究(jiu)了(le)風(feng)輪(lun)在(zai)非設(she)(she)計(ji)(ji)工況下的(de)(de)性能，是(shi)(shi)目前最(zui)常用的(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)。

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2、結構設計

目前大型風電葉(xie)片的(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)(gou)都為(wei)(wei)蒙皮主(zhu)梁形(xing)式。蒙皮主(zhu)要由雙(shuang)軸(zhou)復合材(cai)料層增(zeng)強，提供氣動外(wai)形(xing)并承擔大部分剪切載(zai)荷。后緣空腔較寬，采用夾(jia)芯(xin)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，提高(gao)其抗失穩能力，這與夾(jia)芯(xin)結(jie)構(gou)(gou)(gou)大量在(zai)汽車上(shang)應用類(lei)似(si)。主(zhu)梁主(zhu)要為(wei)(wei)單向復合材(cai)料層增(zeng)強，是(shi)葉(xie)片的(de)(de)主(zhu)要承載(zai)結(jie)構(gou)(gou)(gou)。腹板為(wei)(wei)夾(jia)芯(xin)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，對主(zhu)梁起到(dao)支(zhi)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(fen)析而不是設(she)計(ji)(ji)，設(she)計(ji)(ji)與(yu)模(mo)擬必(bi)須交叉(cha)進(jin)行(xing)，在每一步設(she)計(ji)(ji)完成后，必(bi)須更(geng)新分(fen)析模(mo)型，重新得到鋪層(ceng)中的應(ying)力(li)和應(ying)變數據，再返回設(she)計(ji)(ji)，更(geng)改鋪層(ceng)方案，再分(fen)析應(ying)力(li)和變形(xing)等，直到滿足設(she)計(ji)(ji)標(biao)準為止。因為復合(he)材料正交各向異(yi)性(xing)的特殊性(xing)，葉片各鋪層(ceng)內的應(ying)力(li)并不連(lian)續，而應(ying)變則(ze)相對(dui)連(lian)續，所以葉片結構校核的失(shi)效(xiao)準則(ze)有(you)時候完全采用應(ying)變失(shi)效(xiao)準則(ze)。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)發(fa)展初期，由于葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)較小，有木葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)、布(bu)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)(he)金(jin)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)等等，隨著葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)向大(da)型化(hua)(hua)方(fang)(fang)(fang)向發(fa)展，復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)逐(zhu)漸取代其(qi)他材(cai)(cai)料(liao)(liao)幾乎成為大(da)型葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)唯一可(ke)選(xuan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)具(ju)有其(qi)它單一材(cai)(cai)料(liao)(liao)無法(fa)(fa)比(bi)擬的(de)(de)(de)優勢之(zhi)一就(jiu)是其(qi)可(ke)設(she)(she)計性(xing)，通過調(diao)整(zheng)單層的(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)向，可(ke)以獲(huo)得該方(fang)(fang)(fang)向上所(suo)需要(yao)(yao)的(de)(de)(de)強度(du)(du)和剛(gang)度(du)(du)。更(geng)重要(yao)(yao)的(de)(de)(de)是可(ke)利用(yong)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)各向異性(xing)，使結構(gou)(gou)不同變形(xing)形(xing)式之(zhi)間發(fa)生耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)。比(bi)如由于彎扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)，使得結構(gou)(gou)在(zai)只受到彎矩作用(yong)時發(fa)生扭(niu)轉。在(zai)過去，葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)橫截面耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)效應是一個(ge)讓設(she)(she)計人員頭疼的(de)(de)(de)難題，設(she)(she)計工程想方(fang)(fang)(fang)設(she)(she)法(fa)(fa)消除耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)現象(xiang)。但(dan)在(zai)航空(kong)領域人們開始(shi)利用(yong)復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)彎扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)，拉剪耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)效應，提高機翼的(de)(de)(de)性(xing)能。在(zai)葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)上，引人彎扭(niu)耦(ou)(ou)(ou)合(he)(he)(he)設(she)(she)計概(gai)念，控制葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)氣(qi)彈(dan)變形(xing)，這就(jiu)是氣(qi)彈(dan)剪裁(cai)。通過氣(qi)彈(dan)剪裁(cai)，降(jiang)低葉(xie)(xie)(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)疲勞載(zai)荷，并優化(hua)(hua)功(gong)率輸出。

玻璃纖維增(zeng)強(qiang)(qiang)塑料(liao)(liao)(玻璃鋼)是現代(dai)風(feng)機葉(xie)(xie)(xie)片(pian)最(zui)普遍采用(yong)的(de)復合材料(liao)(liao)，玻璃鋼以其低(di)廉的(de)價格，優(you)良的(de)性(xing)能(neng)占據著(zhu)大型風(feng)機葉(xie)(xie)(xie)片(pian)材料(liao)(liao)的(de)統治地位(wei)。但(dan)隨(sui)著(zhu)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)逐漸(jian)變大，風(feng)輪直徑(jing)已突破120m，最(zui)長的(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)已做到61.5m，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)自(zi)重(zhong)達18t。這對材料(liao)(liao)的(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)和剛(gang)度(du)(du)提出了(le)更加(jia)苛刻的(de)要(yao)求(qiu)。全(quan)玻璃鋼葉(xie)(xie)(xie)片(pian)已無法滿足葉(xie)(xie)(xie)片(pian)大型化，輕(qing)量(liang)化的(de)要(yao)求(qiu)。碳纖維或其它高強(qiang)(qiang)纖維隨(sui)之被(bei)應用(yong)到葉(xie)(xie)(xie)片(pian)局部區域(yu)，如NEG Micon NM 82.40m長葉(xie)(xie)(xie)片(pian)，LM61.5m長葉(xie)(xie)(xie)片(pian)都在高應力區使(shi)用(yong)了(le)碳纖維。由于葉(xie)(xie)(xie)片(pian)增(zeng)大，剛(gang)度(du)(du)逐漸(jian)變得重(zhong)要(yao)，已成為(wei)新一代(dai)MW級葉(xie)(xie)(xie)片(pian)設(she)計。

二、風力發電機葉片長度

風力發電機葉片長度取(qu)決于你(ni)整臺機組的(de)設計功(gong)(gong)率和風(feng)(feng)場狀況。同(tong)一風(feng)(feng)場，功(gong)(gong)率越大(da)葉片(pian)越長。 同(tong)一功(gong)(gong)率，年平均風(feng)(feng)速較低的(de)風(feng)(feng)場需要更長的(de)葉片(pian)。實(shi)際上根(gen)據研究(jiu)，不同(tong)風(feng)(feng)場，需與之(zhi)配套(tao)的(de)相應功(gong)(gong)率風(feng)(feng)機，才能實(shi)現真正的(de)性價比(bi)。

另(ling)外，同樣(yang)長度的(de)葉(xie)片，由于翼(yi)型差異，功率并(bing)不相同。因此葉(xie)片廠家(jia)盡(jin)可能的(de)在優(you)化葉(xie)片結構(gou)。實際上真正(zheng)優(you)秀葉(xie)片的(de)具體形(xing)狀的(de)確定是個非常復雜的(de)過(guo)程，對流(liu)體力學，空(kong)氣動力學非常高。