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(da)化；最(zui)大功率限(xian)制輸出；振動最(zui)小化和避免出現共振；材料消耗最小化；保證葉片(pian)結構局部和整體(ti)穩定性；葉片結構滿足適當的(de)強(qiang)度要求(qiu)和剛度要求(qiu)。

風電(dian)葉片設(she)(she)計(ji)可分為(wei)氣動設(she)(she)計(ji)和(he)結構設(she)(she)計(ji)這(zhe)兩個大的階段，其(qi)中氣動設(she)(she)計(ji)要求滿(man)足前(qian)兩條目標(biao)，結構設(she)(she)計(ji)要求滿(man)足后四條目標(biao)。通常(chang)這(zhe)兩個階段不(bu)是(shi)(shi)獨(du)立進行的，而是(shi)(shi)一個迭代的過程，葉片厚度必須足夠(gou)以(yi)保證能夠(gou)容納腹板，提高葉片剛度。

1、外形設計

葉(xie)(xie)片(pian)氣動(dong)(dong)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)主要(yao)是(shi)外形(xing)優(you)化(hua)(hua)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)，這(zhe)是(shi)葉(xie)(xie)片(pian)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)中至關重要(yao)的(de)(de)一步。外形(xing)優(you)化(hua)(hua)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)中葉(xie)(xie)片(pian)翼型(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)的(de)(de)優(you)劣直(zhi)接決定風(feng)機(ji)(ji)的(de)(de)發電效率，在風(feng)機(ji)(ji)運(yun)(yun)轉條件下(xia)，流動(dong)(dong)的(de)(de)雷諾數比較低(di)，葉(xie)(xie)片(pian)通(tong)常在低(di)速、高(gao)升(sheng)力系(xi)數狀態下(xia)運(yun)(yun)行(xing)(xing)，葉(xie)(xie)片(pian)之間流動(dong)(dong)干擾造(zao)成(cheng)流動(dong)(dong)非常復雜。針(zhen)對(dui)葉(xie)(xie)片(pian)外形(xing)的(de)(de)復雜流動(dong)(dong)狀態以及葉(xie)(xie)片(pian)由葉(xie)(xie)型(xing)在不(bu)同方位的(de)(de)分布構成(cheng)，葉(xie)(xie)片(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)變得非常重要(yao)。目前葉(xie)(xie)片(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)技術通(tong)常采用(yong)航空上先(xian)進的(de)(de)飛機(ji)(ji)機(ji)(ji)翼翼型(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)方法設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)葉(xie)(xie)片(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)形(xing)狀。先(xian)進的(de)(de)CFD技術已廣泛應用(yong)于不(bu)同類(lei)型(xing)氣動(dong)(dong)外形(xing)的(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)，對(dui)于低(di)雷諾數、高(gao)升(sheng)力系(xi)數狀態下(xia)風(feng)機(ji)(ji)運(yun)(yun)行(xing)(xing)條件，采用(yong)考慮粘(zhan)性的(de)(de)N-S控制方程分析葉(xie)(xie)片(pian)葉(xie)(xie)型(xing)的(de)(de)流場是(shi)非常必(bi)要(yao)的(de)(de)。

在(zai)過去的(de)10多年(nian)中，水平軸風(feng)電(dian)葉(xie)片(pian)翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)通常選擇(ze)NACA系(xi)列(lie)(lie)的(de)航空(kong)翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些(xie)翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)對(dui)前(qian)緣粗糙度非常敏感，一旦前(qian)緣由于污染變得粗糙，會(hui)導(dao)致翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)性能大幅度下降，年(nian)輸出功率損失最高達30%。在(zai)認識到(dao)航空(kong)翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)不太適合于風(feng)電(dian)葉(xie)片(pian)后，80年(nian)代中期(qi)后，風(feng)電(dian)發達國家開始對(dui)葉(xie)片(pian)專(zhuan)(zhuan)用翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)進行研究，并成(cheng)功開發出風(feng)電(dian)葉(xie)片(pian)專(zhuan)(zhuan)用翼(yi)(yi)(yi)(yi)型(xing)系(xi)列(lie)(lie)，比如美國Seri和NREL系(xi)列(lie)(lie)、丹麥RISO-A系(xi)列(lie)(lie)、瑞(rui)典(dian)FFA-W系(xi)列(lie)(lie)和荷蘭DU系(xi)列(lie)(lie)。

這些翼(yi)型(xing)(xing)各有優勢，Seri系(xi)(xi)列對翼(yi)型(xing)(xing)表面(mian)粗糙度敏(min)感性低(di)(di)；RISO-A系(xi)(xi)列在(zai)接近失(shi)速(su)時具有良(liang)好的失(shi)速(su)性能(neng)且對前緣粗糙度敏(min)感性低(di)(di)；FFA-W系(xi)(xi)列具有良(liang)好的后失(shi)速(su)性能(neng)。丹麥LM公司已在(zai)大型(xing)(xing)風(feng)機葉片上采用瑞(rui)典FFA-W翼(yi)型(xing)(xing)，風(feng)機專(zhuan)用翼(yi)型(xing)(xing)將會(hui)在(zai)風(feng)電(dian)葉片設計(ji)中廣泛(fan)應用。

目前(qian)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)外(wai)形的(de)(de)設(she)計(ji)理論(lun)有(you)好幾種，都是在機翼氣(qi)動(dong)理論(lun)基礎上發展起來(lai)(lai)的(de)(de)。第一種外(wai)形設(she)計(ji)理論(lun)是按照貝(bei)茨理論(lun)得到的(de)(de)簡化(hua)設(she)計(ji)方(fang)法，該方(fang)法是假設(she)風(feng)力機是按照貝(bei)茨公式的(de)(de)最(zui)佳(jia)條(tiao)件運(yun)行的(de)(de)，完全沒有(you)考(kao)慮(lv)渦流損失等,設(she)計(ji)出來(lai)(lai)的(de)(de)風(feng)輪效率(lv)不超過40%。后(hou)來(lai)(lai)一些(xie)著名的(de)(de)氣(qi)動(dong)學家相繼建立(li)了各自的(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)氣(qi)動(dong)理論(lun)。Schmitz理論(lun)考(kao)慮(lv)了葉(xie)(xie)(xie)片(pian)周向渦流損失,設(she)計(ji)結果(guo)相對(dui)準確一些(xie)。Glauert理論(lun)考(kao)慮(lv)了風(feng)輪后(hou)渦流流動(dong)，但(dan)忽略了葉(xie)(xie)(xie)片(pian)翼型阻(zu)力和(he)葉(xie)(xie)(xie)稍損失的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang),對(dui)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)外(wai)形影(ying)(ying)響(xiang)較小(xiao),對(dui)風(feng)輪效率(lv)影(ying)(ying)響(xiang)卻較大。Wilson在Glauert理論(lun)基礎上作了改進，研究(jiu)了葉(xie)(xie)(xie)稍損失和(he)升阻(zu)比(bi)對(dui)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)最(zui)佳(jia)性能的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)，并且研究(jiu)了風(feng)輪在非(fei)設(she)計(ji)工況下的(de)(de)性能，是目前(qian)最(zui)常用(yong)的(de)(de)設(she)計(ji)理論(lun)。

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2、結構設計

目(mu)前(qian)大型風(feng)電葉片的結(jie)構都為(wei)蒙(meng)皮(pi)主(zhu)(zhu)(zhu)梁(liang)形式。蒙(meng)皮(pi)主(zhu)(zhu)(zhu)要(yao)由雙軸復合材料(liao)層(ceng)增(zeng)強，提供(gong)氣(qi)動外形并承擔大部分剪切載(zai)荷(he)。后緣空(kong)腔(qiang)較寬，采用(yong)夾(jia)(jia)芯結(jie)構，提高其抗失穩能(neng)力，這(zhe)與夾(jia)(jia)芯結(jie)構大量(liang)在汽車上應用(yong)類似。主(zhu)(zhu)(zhu)梁(liang)主(zhu)(zhu)(zhu)要(yao)為(wei)單向復合材料(liao)層(ceng)增(zeng)強，是葉片的主(zhu)(zhu)(zhu)要(yao)承載(zai)結(jie)構。腹板為(wei)夾(jia)(jia)芯結(jie)構，對主(zhu)(zhu)(zhu)梁(liang)起到支撐作(zuo)用(yong)。

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(er)不(bu)是設(she)計(ji)(ji)，設(she)計(ji)(ji)與(yu)模擬(ni)必(bi)(bi)須交叉(cha)進行，在(zai)每(mei)一步設(she)計(ji)(ji)完成后，必(bi)(bi)須更新(xin)(xin)分析(xi)模型，重新(xin)(xin)得到(dao)鋪層中的應力和應變(bian)(bian)數據，再(zai)返(fan)回設(she)計(ji)(ji)，更改(gai)鋪層方案，再(zai)分析(xi)應力和變(bian)(bian)形等(deng)，直(zhi)到(dao)滿(man)足設(she)計(ji)(ji)標準為止(zhi)。因為復合材料正交各(ge)向異性的特殊性，葉(xie)片各(ge)鋪層內的應力并(bing)不(bu)連(lian)續(xu)(xu)，而(er)應變(bian)(bian)則(ze)(ze)相對(dui)連(lian)續(xu)(xu)，所以葉(xie)片結(jie)構校核的失效(xiao)準則(ze)(ze)有時候完全采(cai)用應變(bian)(bian)失效(xiao)準則(ze)(ze)。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)片(pian)發(fa)展(zhan)(zhan)初期，由(you)于葉(xie)(xie)片(pian)較小，有木葉(xie)(xie)片(pian)、布蒙(meng)皮葉(xie)(xie)片(pian)、鋼梁(liang)玻璃纖維蒙(meng)皮葉(xie)(xie)片(pian)、鋁合(he)(he)(he)(he)金葉(xie)(xie)片(pian)等等，隨著葉(xie)(xie)片(pian)向(xiang)大型(xing)化方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)(zhan)，復合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)逐漸取代其(qi)他材料(liao)(liao)(liao)幾乎(hu)成為大型(xing)葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)唯一(yi)可(ke)選(xuan)材料(liao)(liao)(liao)。復合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)具(ju)有其(qi)它單一(yi)材料(liao)(liao)(liao)無法(fa)比擬(ni)的(de)(de)(de)優勢之(zhi)一(yi)就(jiu)是其(qi)可(ke)設(she)計性(xing)，通(tong)過調整單層的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)，可(ke)以獲得(de)該(gai)方(fang)向(xiang)上(shang)所需要(yao)的(de)(de)(de)強度(du)和(he)剛度(du)。更重要(yao)的(de)(de)(de)是可(ke)利(li)用(yong)(yong)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)各向(xiang)異性(xing)，使(shi)結構(gou)(gou)不(bu)同(tong)變形形式之(zhi)間發(fa)生(sheng)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)。比如由(you)于彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)，使(shi)得(de)結構(gou)(gou)在(zai)(zai)只受(shou)到彎(wan)矩作用(yong)(yong)時發(fa)生(sheng)扭(niu)轉。在(zai)(zai)過去，葉(xie)(xie)片(pian)橫(heng)截面(mian)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)效(xiao)應是一(yi)個讓設(she)計人員頭疼的(de)(de)(de)難題，設(she)計工程(cheng)想方(fang)設(she)法(fa)消除(chu)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)現象。但在(zai)(zai)航空領域(yu)人們開始利(li)用(yong)(yong)復合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)，拉剪(jian)(jian)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)效(xiao)應，提高機翼的(de)(de)(de)性(xing)能。在(zai)(zai)葉(xie)(xie)片(pian)上(shang)，引人彎(wan)扭(niu)耦(ou)(ou)合(he)(he)(he)(he)設(she)計概念，控制葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)氣(qi)彈變形，這就(jiu)是氣(qi)彈剪(jian)(jian)裁(cai)。通(tong)過氣(qi)彈剪(jian)(jian)裁(cai)，降低(di)葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)疲(pi)勞載荷，并優化功(gong)率(lv)輸出(chu)。

玻(bo)(bo)(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)(wei)增(zeng)強塑料(liao)(玻(bo)(bo)(bo)璃(li)鋼)是現代(dai)風機葉(xie)片(pian)(pian)(pian)最(zui)(zui)普遍采用(yong)的(de)復合材(cai)料(liao)，玻(bo)(bo)(bo)璃(li)鋼以其(qi)低(di)廉的(de)價格，優良的(de)性能(neng)占據(ju)著大(da)型風機葉(xie)片(pian)(pian)(pian)材(cai)料(liao)的(de)統治地位。但隨(sui)(sui)著葉(xie)片(pian)(pian)(pian)逐漸變(bian)大(da)，風輪直徑已(yi)(yi)突破(po)120m，最(zui)(zui)長(chang)的(de)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)已(yi)(yi)做到61.5m，葉(xie)片(pian)(pian)(pian)自重達18t。這對材(cai)料(liao)的(de)強度(du)和(he)剛度(du)提(ti)出了更加苛刻(ke)的(de)要求(qiu)。全玻(bo)(bo)(bo)璃(li)鋼葉(xie)片(pian)(pian)(pian)已(yi)(yi)無法滿足(zu)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)大(da)型化，輕量化的(de)要求(qiu)。碳纖(xian)維(wei)(wei)或其(qi)它(ta)高(gao)強纖(xian)維(wei)(wei)隨(sui)(sui)之(zhi)被應用(yong)到葉(xie)片(pian)(pian)(pian)局(ju)部區域，如NEG Micon NM 82.40m長(chang)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)，LM61.5m長(chang)葉(xie)片(pian)(pian)(pian)都在高(gao)應力區使用(yong)了碳纖(xian)維(wei)(wei)。由于葉(xie)片(pian)(pian)(pian)增(zeng)大(da)，剛度(du)逐漸變(bian)得重要，已(yi)(yi)成(cheng)為新一代(dai)MW級葉(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于你整臺機組的(de)設計功(gong)率(lv)和(he)風(feng)場(chang)狀況。同(tong)一風(feng)場(chang)，功(gong)率(lv)越大葉片越長。 同(tong)一功(gong)率(lv)，年平均風(feng)速較低的(de)風(feng)場(chang)需要(yao)更長的(de)葉片。實際上根據研(yan)究(jiu)，不(bu)同(tong)風(feng)場(chang)，需與(yu)之配套的(de)相應(ying)功(gong)率(lv)風(feng)機，才(cai)能(neng)實現真正的(de)性價比(bi)。

另外，同樣長度的(de)葉片(pian)，由于翼型差異(yi)，功(gong)率并不(bu)相同。因此葉片(pian)廠家(jia)盡可能的(de)在優(you)化(hua)葉片(pian)結構。實(shi)際上(shang)真(zhen)正優(you)秀葉片(pian)的(de)具體(ti)(ti)形狀的(de)確定是個非常復雜的(de)過程，對流體(ti)(ti)力學，空氣動(dong)力學非常高。