大型風(fēng)輪葉片設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、大型風(fēng)輪葉片設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 前言 能源是人類社會發(fā)展和經(jīng)濟增長的原動力。目前以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，不僅資源難以支 撐，而且對環(huán)境帶來嚴(yán)重問題，特別是溫室氣體排放造成全球氣候變化將帶來一系列生態(tài)和環(huán)境問題。 解決這一難題的出路在于開發(fā)清潔的可再生能源。目前在可再生能源中，除水電以外，風(fēng)電最具有商業(yè) 開發(fā)條件。風(fēng)能作為環(huán)境友好型的可再生能源，它的開發(fā)和利用不僅可以緩解世界能源危機，而且還具 有常規(guī)化石能源不可比擬的優(yōu)勢，如可持續(xù)開發(fā)，不存在資源枯竭問題，不排放二氧化碳等溫室氣體和 其他有害物質(zhì)等。地球上風(fēng)能資源非常豐富，據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，全球的風(fēng)能儲量約為2.74 X109MW

2、 , 其中可經(jīng)濟開發(fā)利用的風(fēng)能為 2X107MW，比可開發(fā)利用的水電總量還要大10倍。隨著常規(guī)化石能源的 枯竭和生態(tài)環(huán)境的惡化，以風(fēng)電為代表的可再生能源的開發(fā)和利用受到各國政府的重視，經(jīng)過最近二十 多年的發(fā)展，尤其是近幾年，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日益成為一個迅速增長的新興產(chǎn)業(yè)。在過去十年中，全球風(fēng)能產(chǎn) 業(yè)以每年 30%左右的速度快速增長，且這種趨勢還會持續(xù)下去。截止2006年底，全球風(fēng)電總裝機容量已 超過 74GW。 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了風(fēng)電機組及其上游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，其中葉片是風(fēng)電機組的關(guān) 鍵部件之一，其性能好壞直接影響風(fēng)電機組的風(fēng)能利用效率和機組所受載荷，在很大程度上決定了機組 的整體性能和風(fēng)

3、電開發(fā)利用的經(jīng)濟性。同時，葉片也是風(fēng)機的核心部件，其成本約為風(fēng)電機組總成本的 20%1 。因此，世界各大主要風(fēng)機制造商都非常重視葉片的設(shè)計和生產(chǎn)，并盡可能保持獨立的設(shè)計和生 產(chǎn)能力。 2 風(fēng)輪葉片設(shè)計 風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計要滿足一定的設(shè)計目標(biāo)，其中有些甚至是相互矛盾的 1 ,2 ：年輸出功率最大 化；最大功率限制輸出；振動最小化和避免出現(xiàn)共振；材料消耗最小化；保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定 性；葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹姸纫蠛蛣偠纫蟆?葉片設(shè)計可分為氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個大的階段，其中氣動設(shè)計要求滿足前兩條目標(biāo)，結(jié)構(gòu) 設(shè)計要求滿足后四條目標(biāo)。通常這兩個階段不是獨立進行的，而是一個迭代的過程，葉片厚度

4、必須足夠 以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。 2.1 外形設(shè)計 葉片氣動設(shè)計主要是外形優(yōu)化設(shè)計，這是葉片設(shè)計中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計中葉片翼型 設(shè)計的優(yōu)劣直接決定風(fēng)機的發(fā)電效率，在風(fēng)機運轉(zhuǎn)條件下，流動的雷諾數(shù)比較低，葉片通常在低速、高 升力系數(shù)狀態(tài)下運行，葉片之間流動干擾造成流動非常復(fù)雜。針對葉片外形的復(fù)雜流動狀態(tài)以及葉片由 葉型在不同方位的分布構(gòu)成，葉片葉型的設(shè)計變得非常重要。目前葉片葉型的設(shè)計技術(shù)通常采用航空上 先進的飛機機翼翼型設(shè)計方法設(shè)計葉片葉型的形狀。先進的 CFD 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同類型氣動外形的 設(shè)計，對于低雷諾數(shù)、高升力系數(shù)狀態(tài)下風(fēng)機運行條件，采用考慮粘性的N-S 控制

5、方程分析葉片葉型的 流場是非常必要的。 在過去的 10多年中，水平軸風(fēng)機葉片翼型通常選擇 NACA 系列的航空翼型，比如 NACA44XX ， NA-CA23XX ， NACA63XX 及 NASA LS(1) 等。這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得 粗糙，會導(dǎo)致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達(dá) 30%3 。在認(rèn)識到航空翼型不太適合于風(fēng)機 葉片后 ,80 年代中期后，風(fēng)電發(fā)達(dá)國家開始對葉片專用翼型進行研究，并成功開發(fā)出風(fēng)電葉片專用翼型系 列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥 RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有 優(yōu)勢， Seri 系列對翼

6、型表面粗糙度敏感性低； RISO-A 系列在接近失速時具有良好的失速性能且對前緣粗 糙度敏感性低； FFA-W 系列具有良好的后失速性能。丹麥 LM 公司已在大型風(fēng)機葉片上采用瑞典 FFA-W 翼型，風(fēng)機專用翼型將會在風(fēng)機葉片設(shè)計中廣泛應(yīng)用。表 1 為對 NREL 翼型系列性能提高 3的估算。 JL I M43-.I. XV tin* m * 1誦 5 tHJ 4 -J* 1 w 目前葉片外形的設(shè)計理論有好幾種，都是在機翼氣動理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第一種外形設(shè)計理 論是按照貝茨理論得到的簡化設(shè)計方法，該方法是假設(shè)風(fēng)力機是按照貝茨公式的最佳條件運行的，完全 沒有考慮渦流損失等，設(shè)計岀來的風(fēng)輪效率

7、不超過40 %。后來一些著名的氣動學(xué)家相繼建立了各自的葉片 氣動理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失，設(shè)計結(jié)果相對準(zhǔn)確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流 流動，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響，對葉片外形影響較小，對風(fēng)輪效率影響卻較大。Wilson在 Glauert理論基礎(chǔ)上作了改進，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風(fēng)輪在非設(shè) 計工況下的性能，是目前最常用的設(shè)計理論。 2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 目前大型葉片的結(jié)構(gòu)都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構(gòu)造形式4。蒙皮主要由雙軸 復(fù)合材料層增強，提供氣動外形并承擔(dān)大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結(jié)構(gòu)，提高其

8、抗失穩(wěn) 能力，這與夾芯結(jié)構(gòu)大量在汽車上應(yīng)用類似5。主梁主要為單向復(fù)合材料層增強，是葉片的主要承載結(jié) 構(gòu)。腹板為夾芯結(jié)構(gòu)，對主梁起到支撐作用。 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范。目前葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要建立在IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和德國GL 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，要求結(jié)構(gòu)滿足靜力強度、疲勞強度和葉尖撓度要求。復(fù)合材料葉片各鋪層是交錯鋪放的， 實際初步設(shè)計時，將所有雙軸布視為一層，所有單軸布視為一層，這樣做對結(jié)構(gòu)強度和性能影響不大 4。葉片結(jié)構(gòu)鋪層是分段設(shè)計，各段厚度都不一致，應(yīng)對厚度進行連續(xù)化處理，最終設(shè)計的各鋪層厚度 還應(yīng)為各單層厚度的整數(shù)倍。 IkiniCX Dcfail AADetail BB 圖I典型葉片薄

9、向構(gòu)造形式 結(jié)構(gòu)鋪層校核對葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計來說也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業(yè)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(zhuǎn)換7，如圖2,3所示。與其他葉 片結(jié)構(gòu)相比，目前大型葉片的中空夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的抗屈曲失穩(wěn)能力，較高的自振頻率，這樣設(shè)計岀 來的葉片相對較輕。有限元法可用于設(shè)計，但更多用于模擬分析而不是設(shè)計，設(shè)計與模擬必須交叉進行， 在每一步設(shè)計完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，再返回設(shè)計，更改鋪層 方案，再分析應(yīng)力和變形等，直

10、到滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為止，如圖4所示。因為復(fù)合材料正交各向異性的特殊 性，葉片各鋪層內(nèi)的應(yīng)力并不連續(xù)，而應(yīng)變則相對連續(xù)，所以葉片結(jié)構(gòu)校核的失效準(zhǔn)則有時候完全采用 應(yīng)變失效準(zhǔn)則。 bncd root 圖4鋪價設(shè)計與投核簡炊詭釋 2.3材料選擇 葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等 等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復(fù)合 材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設(shè)計性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上 所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由 于

11、彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員 頭疼的難題，設(shè)計工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合，拉剪 耦合效應(yīng)，提高機翼的性能8。在葉片上，引人彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈 剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸岀9。 玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）是現(xiàn)代風(fēng)機葉片最普遍采用的復(fù)合材料，玻璃鋼以其低廉的價格， 優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風(fēng)機葉片材料的統(tǒng)治地位。但隨著葉片逐漸變大，風(fēng)輪直徑已突破120m，最長的 葉片已做到61.5m，葉片自重達(dá)18t。這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全

12、玻璃鋼葉片已無 法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域，如NEG Micon NM 82.40m長葉片，LM61.5m長葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。由于葉片增大，剛度逐漸變得重要， 已成為新一代MW級葉片設(shè)計的關(guān)鍵。碳纖維的使用使葉片剛度得到很大提高，自重卻沒有增加。 Vestas為V903.OMW機型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有 6t,與 V802MW,39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報告指出，含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW 級葉片是一個非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計劃10中指出，直徑為120m風(fēng)輪

13、葉片部 分使用碳纖維可有效減少總體自重達(dá)38%，設(shè)計成本減少14%。但碳纖維價格昂貴，極大地限制其在風(fēng) 機葉片上的使用。現(xiàn)今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應(yīng)用材料為 主。但許多研究員卻大膽預(yù)言碳纖維的應(yīng)用將會逐步增加。風(fēng)能的成本效益將取決于碳纖維的使用方 式，未來若要大量取代玻璃纖維，必需低價才具有競爭力。 3風(fēng)輪葉片發(fā)展趨勢 3.1葉片造型的發(fā)展 前面提到風(fēng)機葉片專用翼型已成系列，但還存在很大改進空間。采用柔性葉片也是一個發(fā)展方 向，利用新型材料進行設(shè)計，從而改進空氣動力和葉片受力狀態(tài)，增加可靠性和對風(fēng)能捕獲量。在開發(fā) 新的葉片外形上也進行大量嘗試，Enercon

14、公司對33m葉片進行空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的 實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的最大氣動效率低約34%。為此，該公司對大型葉片外形型面 和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進，包括為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝小翼”如圖5所示；為改善和 提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長 度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑 71m的 2MW風(fēng)力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中繼 續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜小

15、翼”使得葉片單片的運行噪音小于3個 葉片（旋轉(zhuǎn)直徑為66m）運行時產(chǎn)生的噪音。 圖 5 Enercon E66 32m 長葉片 3.2葉片材料的進展 風(fēng)機機組正朝著大型化發(fā)展，葉片長度越來越長，捕獲的風(fēng)能越來越多。風(fēng)場經(jīng)營者和能源公司 都看好大葉片，因此 Enercon公司的6MW機組應(yīng)運而生，GE公司的7MW機組研發(fā)緊鑼密鼓，而英國正 在研制IOMW的巨型風(fēng)力機11。如此大功率風(fēng)機配套的葉片將是超規(guī)模的。目前普遍采用的玻纖增強 聚脂樹脂、玻纖增強環(huán)氧樹脂將無法滿足要求。所以必須開發(fā)更為先進的材料，具備輕質(zhì)、高強以及剛 性好的性能。 碳纖維的使用已成必然，但一般以碳/?；祀s的形式出現(xiàn)。3TEX

16、開發(fā)了一種三維混雜結(jié)構(gòu)，如 圖6所示。這種結(jié)構(gòu)具備高強度、高剛度特性，同時該結(jié)構(gòu)能使樹脂灌注速度加快，縮短工作時間。且 這種結(jié)構(gòu)較厚，減少了鋪層層數(shù)，節(jié)約勞動力，降低了生產(chǎn)成本。實際結(jié)果表明，使用這種混雜纖維形 式比全玻璃鋼葉片減輕質(zhì)量約為10%左右。 在未來的十幾年里，有大量的葉片將會退役，退役后葉片的處理將是我們所面臨的一個非常棘手 的問題。目前使用的復(fù)合材料葉片屬于熱固性復(fù)合材料，很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者 燃燒等方法處理，基木上不再重新利用，易對環(huán)境造成影響，為此，人們開始積極研究開發(fā)綠色葉片”- 熱塑性復(fù)合材料葉片12。愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日木三菱重工及美國Cyc

17、lics公司正在探討如何共同 研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。根據(jù)有關(guān)資料介紹，與環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比 較，若采用熱塑性復(fù)合材料葉片，每臺大型風(fēng)力發(fā)電機所用的葉片重量可降低10%，抗沖擊性能大幅度 提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可完全回收和再利用。安全快捷地制造綠 色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實現(xiàn)，Gaoth公司及其合作伙伴就是實現(xiàn)這一目標(biāo)的 先驅(qū)。 3.3葉片設(shè)計新的研發(fā)理念 現(xiàn)在大型葉片的結(jié)構(gòu)基本為蒙皮加主梁的形式，主梁為預(yù)先成型，然后粘接到葉片蒙皮。國外有 設(shè)計公司提岀葉片整體成型概念，意在打破蒙皮主梁的結(jié)構(gòu)形式。 丹麥LM公

18、司提出了 “Future Blade的概念，且已在其 54m和61.5m巨型葉片上使用了這種設(shè)計概 念。LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V. Nielsen認(rèn)為未來葉片設(shè)計的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本 (COE)最優(yōu)化，葉片將會更加細(xì)長，這種設(shè)計技術(shù)將會降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化，材料 成本將會降低，產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證。 今年三月，美國Knight & Carver的風(fēng)電葉片公司成功開發(fā)了一種新型葉片STAR Blade13。這種 具有創(chuàng)新性的葉片不同于當(dāng)前使用的絕大部分葉片，是專門針對低風(fēng)速區(qū)域設(shè)計的。這種葉片葉尖采用 柔性”設(shè)計理念進行設(shè)計，在外形上與傳統(tǒng)葉片后緣線性變化不

19、同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風(fēng)壓和 風(fēng)機的驅(qū)動扭矩，并最大限度捕獲所有可用風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能，包括邊緣的低風(fēng)速區(qū)域，比傳統(tǒng)的葉片 捕風(fēng)能力提高了 510 %。第一片該種葉片已經(jīng)進行了靜力測試，年內(nèi)還將生產(chǎn)第二片。 圖7 STAR葉片主模曲制作 國內(nèi)中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研制的1.5 MW sinoma40.2m葉片已經(jīng)成功下線，并在今年7 月份通過了靜力測試。該葉片采用新的柔性、預(yù)彎”設(shè)計技術(shù)，針對國內(nèi)風(fēng)況設(shè)計，葉尖部分向上風(fēng)向彎 曲，葉片細(xì)長，柔性好，其整機載荷低于同類37.5m 1.5MW葉片。 4結(jié)語 風(fēng)電將在全球范圍繼續(xù)高速發(fā)展，國內(nèi)、國外風(fēng)電市場巨大，中國的目標(biāo)是累計裝機容量在

20、2010 年達(dá)到500萬kW, 2020達(dá)到年3000萬kW，這個目標(biāo)將會提前實現(xiàn)，國內(nèi)葉片市場將供不應(yīng)求。按目前 國內(nèi)引進技術(shù)比較普遍的1.5MW葉片來計算，20062010年，需要葉片數(shù)為 7000片左右，而20102020 年之間，所需葉片數(shù)將為50000片，國內(nèi)葉片市場巨大14。 葉片設(shè)計技術(shù)的發(fā)展將會為我們提供更加高效，低成本，高可靠性的葉片，國內(nèi)葉片設(shè)計技術(shù)相 對落后，目前 MW級別上，葉片設(shè)計技術(shù)基本依賴進口，但該局面有望在未來的幾年內(nèi)逐步得到改觀， 完全依靠國內(nèi)力量設(shè)計的葉片不久的將來會在國內(nèi)風(fēng)電場上空運轉(zhuǎn)。 參考文獻 1 Tony Burton ，David Sharpe，N

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