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(hua)；最(zui)大(da)功率限(xian)制輸(shu)出；振動最小(xiao)化和避(bi)免(mian)出(chu)現共振；材(cai)料消耗最(zui)小化；保證葉(xie)片結構局部和整體穩定性；葉片結構滿足(zu)適(shi)當的強度(du)(du)要求和剛度(du)(du)要求。

風電葉片設(she)計(ji)可分為氣(qi)動(dong)設(she)計(ji)和結構設(she)計(ji)這(zhe)兩(liang)個大的(de)階段，其(qi)中(zhong)氣(qi)動(dong)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)滿足(zu)(zu)前兩(liang)條目(mu)標，結構設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)滿足(zu)(zu)后四條目(mu)標。通常這(zhe)兩(liang)個階段不是獨立進行的(de)，而是一個迭代的(de)過程，葉片厚度(du)必須足(zu)(zu)夠以保證能夠容納腹板，提高(gao)葉片剛度(du)。

1、外形設計

葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)氣動(dong)(dong)設(she)計主要(yao)是外(wai)形(xing)(xing)優化(hua)設(she)計，這是葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)設(she)計中至關重(zhong)要(yao)的(de)(de)一步。外(wai)形(xing)(xing)優化(hua)設(she)計中葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)翼型(xing)(xing)(xing)設(she)計的(de)(de)優劣(lie)直接決定(ding)風(feng)機的(de)(de)發電(dian)效(xiao)率，在(zai)風(feng)機運轉條(tiao)件(jian)下(xia)，流(liu)動(dong)(dong)的(de)(de)雷諾(nuo)數(shu)(shu)比較低(di)，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)通(tong)常(chang)在(zai)低(di)速、高升力(li)系數(shu)(shu)狀態下(xia)運行，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)之間(jian)流(liu)動(dong)(dong)干擾(rao)造成流(liu)動(dong)(dong)非(fei)(fei)常(chang)復(fu)雜。針對葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)外(wai)形(xing)(xing)的(de)(de)復(fu)雜流(liu)動(dong)(dong)狀態以(yi)及葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)由葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)(xing)在(zai)不(bu)同(tong)方(fang)位的(de)(de)分布構成，葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)設(she)計變(bian)得非(fei)(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。目前葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)設(she)計技術(shu)通(tong)常(chang)采用航空上先進的(de)(de)飛機機翼翼型(xing)(xing)(xing)設(she)計方(fang)法設(she)計葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)形(xing)(xing)狀。先進的(de)(de)CFD技術(shu)已廣泛應用于(yu)不(bu)同(tong)類型(xing)(xing)(xing)氣動(dong)(dong)外(wai)形(xing)(xing)的(de)(de)設(she)計，對于(yu)低(di)雷諾(nuo)數(shu)(shu)、高升力(li)系數(shu)(shu)狀態下(xia)風(feng)機運行條(tiao)件(jian)，采用考(kao)慮粘性的(de)(de)N-S控制方(fang)程(cheng)分析(xi)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)(pian)葉(xie)(xie)(xie)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)流(liu)場是非(fei)(fei)常(chang)必(bi)要(yao)的(de)(de)。

在(zai)(zai)過去的10多年(nian)中(zhong)，水平軸風(feng)電葉片翼(yi)(yi)(yi)型通常選(xuan)擇(ze)NACA系(xi)(xi)列(lie)的航空翼(yi)(yi)(yi)型，比(bi)如(ru)NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及(ji)NASA LS(1)等(deng)。這(zhe)些(xie)翼(yi)(yi)(yi)型對前緣(yuan)(yuan)粗糙度(du)非常敏感，一旦前緣(yuan)(yuan)由于(yu)污染變得(de)粗糙，會導致(zhi)翼(yi)(yi)(yi)型性(xing)能大幅度(du)下降(jiang)，年(nian)輸出功率損失最高達(da)30%。在(zai)(zai)認(ren)識到航空翼(yi)(yi)(yi)型不太適合于(yu)風(feng)電葉片后，80年(nian)代中(zhong)期后，風(feng)電發達(da)國家(jia)開始(shi)對葉片專(zhuan)用(yong)翼(yi)(yi)(yi)型進行研究，并成功開發出風(feng)電葉片專(zhuan)用(yong)翼(yi)(yi)(yi)型系(xi)(xi)列(lie)，比(bi)如(ru)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)和荷蘭DU系(xi)(xi)列(lie)。

這些(xie)翼型(xing)各有(you)優勢，Seri系(xi)列對(dui)翼型(xing)表(biao)面粗糙(cao)度(du)敏(min)感性(xing)(xing)低；RISO-A系(xi)列在接近失(shi)速(su)時具(ju)有(you)良好的失(shi)速(su)性(xing)(xing)能(neng)且(qie)對(dui)前緣粗糙(cao)度(du)敏(min)感性(xing)(xing)低；FFA-W系(xi)列具(ju)有(you)良好的后(hou)失(shi)速(su)性(xing)(xing)能(neng)。丹麥LM公司(si)已在大型(xing)風(feng)機(ji)葉片(pian)上采用瑞典FFA-W翼型(xing)，風(feng)機(ji)專用翼型(xing)將會在風(feng)電(dian)葉片(pian)設計(ji)中廣泛應用。

目(mu)前葉(xie)(xie)片(pian)外形的(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)有好幾種(zhong)(zhong)，都是(shi)(shi)(shi)在(zai)(zai)機翼氣(qi)動(dong)理(li)論(lun)(lun)基(ji)(ji)礎上(shang)發展起來的(de)(de)。第一(yi)種(zhong)(zhong)外形設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)是(shi)(shi)(shi)按照貝茨理(li)論(lun)(lun)得到的(de)(de)簡化設(she)(she)計(ji)(ji)方(fang)法(fa)，該方(fang)法(fa)是(shi)(shi)(shi)假設(she)(she)風力(li)機是(shi)(shi)(shi)按照貝茨公式的(de)(de)最佳條件運行的(de)(de)，完(wan)全沒(mei)有考(kao)慮渦(wo)(wo)(wo)流(liu)損失等,設(she)(she)計(ji)(ji)出來的(de)(de)風輪效率不超過40%。后來一(yi)些(xie)(xie)著名的(de)(de)氣(qi)動(dong)學家相繼建(jian)立了各自的(de)(de)葉(xie)(xie)片(pian)氣(qi)動(dong)理(li)論(lun)(lun)。Schmitz理(li)論(lun)(lun)考(kao)慮了葉(xie)(xie)片(pian)周向渦(wo)(wo)(wo)流(liu)損失,設(she)(she)計(ji)(ji)結果相對(dui)(dui)準確一(yi)些(xie)(xie)。Glauert理(li)論(lun)(lun)考(kao)慮了風輪后渦(wo)(wo)(wo)流(liu)流(liu)動(dong)，但忽(hu)略了葉(xie)(xie)片(pian)翼型(xing)阻力(li)和葉(xie)(xie)稍損失的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang),對(dui)(dui)葉(xie)(xie)片(pian)外形影(ying)(ying)響(xiang)較小,對(dui)(dui)風輪效率影(ying)(ying)響(xiang)卻(que)較大。Wilson在(zai)(zai)Glauert理(li)論(lun)(lun)基(ji)(ji)礎上(shang)作(zuo)了改進(jin)，研究了葉(xie)(xie)稍損失和升阻比(bi)對(dui)(dui)葉(xie)(xie)片(pian)最佳性能(neng)的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)，并且(qie)研究了風輪在(zai)(zai)非設(she)(she)計(ji)(ji)工(gong)況下的(de)(de)性能(neng)，是(shi)(shi)(shi)目(mu)前最常用的(de)(de)設(she)(she)計(ji)(ji)理(li)論(lun)(lun)。

該圖片由注冊用戶"妮子的文字"提供，版權聲明反饋

2、結構設計

目前大型(xing)風電(dian)葉片(pian)(pian)的(de)(de)結構都(dou)為蒙(meng)皮主(zhu)梁(liang)形式。蒙(meng)皮主(zhu)要由雙軸復(fu)合材料層增強，提供氣(qi)動外(wai)形并承擔大部(bu)分剪切(qie)載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結構，提高其抗失穩能力，這與夾芯結構大量在汽車上應用類似。主(zhu)梁(liang)主(zhu)要為單向復(fu)合材料層增強，是葉片(pian)(pian)的(de)(de)主(zhu)要承載結構。腹板為夾芯結構，對主(zhu)梁(liang)起到支撐(cheng)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(xi)而不是設(she)(she)計，設(she)(she)計與模(mo)擬必(bi)須交叉進行，在每(mei)一步(bu)設(she)(she)計完成后，必(bi)須更新分析(xi)模(mo)型，重新得到(dao)鋪層(ceng)中(zhong)的(de)(de)應力和(he)應變(bian)數(shu)據(ju)，再(zai)返回設(she)(she)計，更改鋪層(ceng)方案(an)，再(zai)分析(xi)應力和(he)變(bian)形等，直到(dao)滿足(zu)設(she)(she)計標(biao)準為止(zhi)。因為復(fu)合材料正(zheng)交各(ge)向異性(xing)的(de)(de)特(te)殊性(xing)，葉(xie)(xie)片(pian)各(ge)鋪層(ceng)內的(de)(de)應力并不連續(xu)，而應變(bian)則(ze)相對(dui)連續(xu)，所以葉(xie)(xie)片(pian)結構校(xiao)核的(de)(de)失(shi)效準則(ze)有時候完全采用應變(bian)失(shi)效準則(ze)。

3、材料選擇

風電葉(xie)(xie)片(pian)發(fa)(fa)展初(chu)期，由于葉(xie)(xie)片(pian)較小，有木葉(xie)(xie)片(pian)、布(bu)蒙皮(pi)葉(xie)(xie)片(pian)、鋼梁玻璃纖維蒙皮(pi)葉(xie)(xie)片(pian)、鋁合(he)(he)(he)金葉(xie)(xie)片(pian)等(deng)等(deng)，隨著葉(xie)(xie)片(pian)向(xiang)(xiang)大(da)型化方(fang)向(xiang)(xiang)發(fa)(fa)展，復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)逐漸(jian)取代其(qi)他材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)幾乎成(cheng)為大(da)型葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)唯一可(ke)選材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)具有其(qi)它單一材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)無法比擬(ni)的(de)(de)(de)優勢之一就是(shi)(shi)其(qi)可(ke)設計性，通(tong)過(guo)調整單層的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)，可(ke)以獲(huo)得該方(fang)向(xiang)(xiang)上所需要的(de)(de)(de)強度和(he)剛度。更重要的(de)(de)(de)是(shi)(shi)可(ke)利用(yong)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)各向(xiang)(xiang)異性，使結(jie)構不(bu)同變(bian)形(xing)形(xing)式之間發(fa)(fa)生耦合(he)(he)(he)。比如由于彎(wan)扭(niu)(niu)耦合(he)(he)(he)，使得結(jie)構在(zai)只受到(dao)彎(wan)矩作用(yong)時發(fa)(fa)生扭(niu)(niu)轉。在(zai)過(guo)去(qu)，葉(xie)(xie)片(pian)橫截面耦合(he)(he)(he)效應是(shi)(shi)一個讓設計人員頭疼的(de)(de)(de)難題(ti)，設計工程(cheng)想方(fang)設法消(xiao)除耦合(he)(he)(he)現象(xiang)。但在(zai)航空領域(yu)人們開始(shi)利用(yong)復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)彎(wan)扭(niu)(niu)耦合(he)(he)(he)，拉剪(jian)耦合(he)(he)(he)效應，提高機翼(yi)的(de)(de)(de)性能。在(zai)葉(xie)(xie)片(pian)上，引人彎(wan)扭(niu)(niu)耦合(he)(he)(he)設計概念，控制葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)彈(dan)變(bian)形(xing)，這就是(shi)(shi)氣(qi)(qi)彈(dan)剪(jian)裁(cai)。通(tong)過(guo)氣(qi)(qi)彈(dan)剪(jian)裁(cai)，降低葉(xie)(xie)片(pian)的(de)(de)(de)疲勞(lao)載荷，并優化功(gong)率輸出。

玻(bo)璃纖(xian)維增(zeng)強(qiang)(qiang)塑料(玻(bo)璃鋼)是現代風機(ji)葉(xie)片(pian)(pian)最普遍采用的(de)(de)復合(he)材(cai)料，玻(bo)璃鋼以其低(di)廉的(de)(de)價格，優良的(de)(de)性能占據著(zhu)大(da)型(xing)風機(ji)葉(xie)片(pian)(pian)材(cai)料的(de)(de)統治(zhi)地位。但隨(sui)著(zhu)葉(xie)片(pian)(pian)逐漸(jian)變(bian)大(da)，風輪直(zhi)徑已(yi)(yi)突破120m，最長(chang)的(de)(de)葉(xie)片(pian)(pian)已(yi)(yi)做到(dao)61.5m，葉(xie)片(pian)(pian)自重達18t。這對材(cai)料的(de)(de)強(qiang)(qiang)度和(he)剛(gang)(gang)度提出了更(geng)加苛刻的(de)(de)要(yao)求。全(quan)玻(bo)璃鋼葉(xie)片(pian)(pian)已(yi)(yi)無法滿足(zu)葉(xie)片(pian)(pian)大(da)型(xing)化，輕量化的(de)(de)要(yao)求。碳纖(xian)維或其它(ta)高(gao)強(qiang)(qiang)纖(xian)維隨(sui)之被應用到(dao)葉(xie)片(pian)(pian)局部區域，如(ru)NEG Micon NM 82.40m長(chang)葉(xie)片(pian)(pian)，LM61.5m長(chang)葉(xie)片(pian)(pian)都在高(gao)應力區使用了碳纖(xian)維。由于葉(xie)片(pian)(pian)增(zeng)大(da)，剛(gang)(gang)度逐漸(jian)變(bian)得重要(yao)，已(yi)(yi)成為新一代MW級葉(xie)片(pian)(pian)設計。

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(ji)組的設計功(gong)率(lv)(lv)(lv)和(he)風(feng)場狀況。同一風(feng)場，功(gong)率(lv)(lv)(lv)越大(da)葉片(pian)越長。 同一功(gong)率(lv)(lv)(lv)，年平(ping)均風(feng)速較低的風(feng)場需要更長的葉片(pian)。實(shi)(shi)際上根據(ju)研究，不同風(feng)場，需與之配套的相應功(gong)率(lv)(lv)(lv)風(feng)機(ji)，才(cai)能(neng)實(shi)(shi)現真正的性價比。

另外，同樣(yang)長度的(de)(de)葉片(pian)，由于(yu)翼型差異，功率并不相(xiang)同。因(yin)此葉片(pian)廠家(jia)盡可能的(de)(de)在優(you)化葉片(pian)結構。實際上(shang)真(zhen)正(zheng)優(you)秀(xiu)葉片(pian)的(de)(de)具體(ti)形狀的(de)(de)確定是個非常復(fu)雜的(de)(de)過程，對流體(ti)力學，空氣動(dong)力學非常高(gao)。