大型風輪葉片設計技術的現狀與發(fā)展趨勢

1、大型風輪葉片設計技術的現狀與發(fā)展趨勢2010年04月28日來源：全球節(jié)能環(huán)保網閱讀：290我要評論 核心提示： 按目前國內引進技術比較普遍的1.5MW葉片來計算，20062010年，需要葉片數為7000片左右，而2010-2020年之間，所需葉片數將為50000片，國內葉片市場巨大 1前言能源是人類社會發(fā)展和經濟增長的原動力。目前以化石燃料為主的能源結構，不僅資源難以支撐，而且對環(huán)境帶來嚴重問題，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，風電最具有商業(yè)開發(fā)條件。風能作為環(huán)境友好型的可再生能源，它的開

2、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等。地球上風能資源非常豐富，據有關調查結果顯示，全球的風能儲量約為2.74×109MW，其中可經濟開發(fā)利用的風能2×107MW，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，經過最近二十多年的發(fā)展，尤其是近幾年，風電產業(yè)日益成為一個迅速增長的新興產業(yè)。在過去十年中，全球風能產業(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

3、，全球風電總裝機容量已超過74GW。 全球風電產業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了風電機組及其上游產業(yè)鏈的快速發(fā)展，其中葉片是風電機組的關鍵部件之一，其性能好壞直接影響風電機組的風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電開發(fā)利用的經濟性。同時，葉片也是風機的核心部件，其成本約為風電機組總成本的20%1。因此，世界各大主要風機制造商都非常重視葉片的設計和生產，并盡可能保持獨立的設計和生產能力。2風輪葉片設計風輪葉片的優(yōu)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共振；材料消耗最小化；保證葉片結構局部和整體穩(wěn)

4、定性；葉片結構滿足適當的強度要求和剛度要求。葉片設計可分為氣動設計和結構設計這兩個大的階段，其中氣動設計要求滿足前兩條目標，結構設計要求滿足后四條目標。通常這兩個階段不是獨立進行的，而是一個迭代的過程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。2.1外形設計 葉片氣動設計主要是外形優(yōu)化設計，這是葉片設計中至關重要的一步。外形優(yōu)化設計中葉片翼型設計的優(yōu)劣直接決定風機的發(fā)電效率，在風機運轉條件下，流動的雷諾數比較低，葉片通常在低速、高升力系數狀態(tài)下運行，葉片之間流動干擾造成流動非常復雜。針對葉片外形的復雜流動狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構成，葉片葉型的設計變得非常重要。目前

5、葉片葉型的設計技術通常采用航空上先進的飛機機翼翼型設計方法設計葉片葉型的形狀。先進的CFD技術已廣泛應用于不同類型氣動外形的設計，對于低雷諾數、高升力系數狀態(tài)下風機運行條件，采用考慮粘性的N-S控制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，會導致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達30%3。在認識到航空翼型不太適合于風機葉片后,80年代中期后，風電發(fā)達國家開始對葉片專用翼型進行

6、研究，并成功開發(fā)出風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公司已在大型風機葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風機專用翼型將會在風機葉片設計中廣泛應用。表1為對NREL翼型系列性能提高3的估算。      目前葉片外形的設計理論有好幾種，都是在機翼氣動理論基礎上發(fā)展起來的。第一種外形設計理論是按照貝茨理論得到的簡化設計方法，

7、該方法是假設風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,設計出來的風輪效率不超過40。后來一些著名的氣動學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,設計結果相對準確一些。Glauert理論考慮了風輪后渦流流動，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,對風輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎上作了改進，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風輪在非設計工況下的性能，是目前最常用的設計理論。2.2結構設計目前大型葉片的結構都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構造形式。蒙皮主要由雙軸復合材料層增

8、強，提供氣動外形并承擔大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結構，提高其抗失穩(wěn)能力，這與夾芯結構大量在汽車上應用類似5。主梁主要為單向復合材料層增強，是葉片的主要承載結構。腹板為夾芯結構，對主梁起到支撐作用。葉片結構設計應依據相關設計規(guī)范。目前葉片結構設計規(guī)范主要建立在IEC國際標準和德國GL標準基礎上，要求結構滿足靜力強度、疲勞強度和葉尖撓度要求。復合材料葉片各鋪層是交錯鋪放的，實際初步設計時，將所有雙軸布視為一層，所有單軸布視為一層，這樣做對結構強度和性能影響不大。葉片結構鋪層是分段設計，各段厚度都不一致，應對厚度進行連續(xù)化處理，最終設計的各鋪層厚度還應為各單層厚度的整數倍。 &

9、#160;    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(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6，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7，如圖2,3所示。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(wěn)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而不是設計，設計與模擬必須交叉進行，在每一步設計完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應力和應變數據，再返回設計，更改鋪層方

10、案，再分析應力和變形等，直到滿足設計標準為止，如圖4所示。因為復合材料正交各向異性的特殊性，葉片各鋪層內的應力并不連續(xù)，而應變則相對連續(xù)，所以葉片結構校核的失效準則有時候完全采用應變失效準則。  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)勢之一就是其可設計性，通過調整單層的方向，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，使結構不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結構在只受

11、到彎矩作用時發(fā)生扭轉。在過去，葉片橫截面耦合效應是一個讓設計人員頭疼的難題，設計工程想方設法消除耦合現象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能8。在葉片上，引人彎扭耦合設計概念，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)化功率輸出9。 玻璃纖維增強塑料（玻璃鋼）是現代風機葉片最普遍采用的復合材料，玻璃鋼以其低廉的價格，優(yōu)良的性能占據著大型風機葉片材料的統治地位。但隨著葉片逐漸變大，風輪直徑已突破120m，最長的葉片已做到61.5m，葉片自重達18t。這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片

12、大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應用到葉片局部區(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級葉片設計的關鍵。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風輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重

13、達38%，設計成本減少14%。但碳纖維價格昂貴，極大地限制其在風機葉片上的使用?，F今碳纖維產業(yè)仍以發(fā)展輕質、良好結構和熱性質佳等附加值大的航空應用材料為主。但許多研究員卻大膽預言碳纖維的應用將會逐步增加。風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風輪葉片發(fā)展趨勢3.1葉片造型的發(fā)展前面提到風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)，增加可靠性和對風能捕獲量。在開發(fā)新的葉片外形上也進行大量嘗試，Enercon公司對33m葉片進行空氣動力實驗，經過精確的測定，葉片

14、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構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)化設計。在此基礎上，Enercon公司開發(fā)出旋轉直徑71m的2MW風力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風力發(fā)電機設計中繼續(xù)采用此項技術，旋轉直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片（旋轉直徑為66m）運

15、行時產生的噪音。3.2葉片材料的進展風機機組正朝著大型化發(fā)展，葉片長度越來越長，捕獲的風能越來越多。風場經營者和能源公司都看好大葉片，因此Enercon公司的6MW機組應運而生，GE公司的7MW機組研發(fā)緊鑼密鼓，而英國正在研制lOMW的巨型風力機11。如此大功率風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、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。3TEX開發(fā)了一種三維混雜結構，如圖6所示。這種結構具備高強度、高剛度特性，同時該結構能使樹脂灌注速度加快，縮短工作時間。且

16、這種結構較厚，減少了鋪層層數，節(jié)約勞動力，降低了生產成本。實際結果表明，使用這種混雜纖維形式比全玻璃鋼葉片減輕質量約為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。目前使用的復合材料葉片屬于熱固性復合材料，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”熱塑性復合材料葉片12。愛爾蘭Gaoth風能公司與日木三菱重工及美國Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復合材料葉片。根據有關資

17、料介紹，與環(huán)氧樹脂玻璃纖維復合材料大型葉片相比較，若采用熱塑性復合材料葉片，每臺大型風力發(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”的復合材料葉片正期待著復合材料葉片制造商去實現，Gaoth公司及其合作伙伴就是實現這一目標的先驅。3.3葉片設計新的研發(fā)理念現在大型葉片的結構基本為蒙皮加主梁的形式，主梁為預先成型，然后粘接到葉片蒙皮。國外有設計公司提出葉片整體成型概念，意在打破蒙皮主梁的結構形式。丹麥LM公司提出了“Future Blade”的概念，且已在其54m和61.5m巨型葉片上使用了

18、這種設計概念。LM公司研發(fā)部經理Frank V. Nielsen認為未來葉片設計的關鍵已從效率最大化轉移到能量成本（COE）最優(yōu)化，葉片將會更加細長，這種設計技術將會降低葉片載荷，葉片質量分布更加優(yōu)化，材料成本將會降低，產品質量將更加得到保證。     今年三月，美國KnightCarver的風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前使用的絕大部分葉片，是專門針對低風速區(qū)域設計的。這種葉片葉尖采用“柔性”設計理念進行設計，在外形上與傳統葉片后緣線性變化不同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風壓和風機的驅動扭矩，并

19、最大限度捕獲所有可用風速范圍內的風能，包括邊緣的低風速區(qū)域，比傳統的葉片捕風能力提高了510。第一片該種葉片已經進行了靜力測試，年內還將生產第二片。    國內中材科技風電葉片股份有限公司研制的1.5 MW sinoma40.2m葉片已經成功下線，并在今年7月份通過了靜力測試。該葉片采用新的“柔性、預彎”設計技術，針對國內風況設計，葉尖部分向上風向彎曲，葉片細長，柔性好，其整機載荷低于同類37.5m 1.5MW葉片。4結語風電將在全球范圍繼續(xù)高速發(fā)展，國內、國外風電市場巨大，中國的目標是累計裝機容量在2010年達到500萬kW, 2020達到年3000萬kW，這個

20、目標將會提前實現，國內葉片市場將供不應求。按目前國內引進技術比較普遍的1.5MW葉片來計算，20062010年，需要葉片數為7000片左右，而2010-2020年之間，所需葉片數將為50000片，國內葉片市場巨大。  葉片設計技術的發(fā)展將會為我們提供更加高效，低成本，高可靠性的葉片，國內葉片設計技術相對落后，目前MW級別上，葉片設計技術基本依賴進口，但該局面有望在未來的幾年內逐步得到改觀，完全依靠國內力量設計的葉片不久的將來會在國內風電場上空運轉。 參考文獻1 Tony Burton，David Sharpe，Nick Jenkins，Ervin Bossanyi. Win

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