淺談大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)

摘要：隨著科技的發(fā)展，風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量不斷增大，傳統(tǒng)的以氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)先的設(shè)計(jì)方法，已不能完全滿足大功率風(fēng)力機(jī)對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。因此本文介紹一種先結(jié)構(gòu)后氣動(dòng)的鈍后緣翼型設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)結(jié)果很好地滿足了大型風(fēng)機(jī)的要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 葉片 鈍后緣翼型

引言

常規(guī)能源日漸減少，環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種可再生的清潔的能源越來(lái)越受到各國(guó)的重視。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也逐步發(fā)展成為具有一定規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。目前各國(guó)正加快對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究步伐，不斷推陳出新，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸由單機(jī)小容量走向大型化、大容量。從技術(shù)商業(yè)化程度看，風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)難以滿足實(shí)際要求，因而有必要對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)、選用更好的材料、部件、選用更先進(jìn)的控制裝置。這些改進(jìn)不僅可以減輕負(fù)荷，而且還可以減少風(fēng)機(jī)的重量和部件的費(fèi)用。

提出問(wèn)題

風(fēng)力發(fā)電機(jī)要獲得較大的風(fēng)力發(fā)電功率，其關(guān)鍵在于要具有結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)性滿足要求的風(fēng)輪機(jī)葉片。大型風(fēng)力機(jī)葉片尺寸大，外形復(fù)雜，精度要求高、表面粗糙度低、強(qiáng)度和剛度高、質(zhì)量分布均勻性好等，使得葉片技術(shù)成為制約風(fēng)力發(fā)電大力發(fā)展的瓶頸。

葉片是風(fēng)電機(jī)組中關(guān)鍵部件之一，葉片設(shè)計(jì)關(guān)系著風(fēng)電機(jī)組的整體性能。風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)過(guò)程通常包括兩部分：葉片外形氣動(dòng)設(shè)計(jì)和葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)以上兩個(gè)方向進(jìn)行的順序不同，風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)方法大致可以分為以下幾種方式：第一種，先進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方法將氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解耦，大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；但由于氣動(dòng)設(shè)計(jì)先于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在優(yōu)化的早期過(guò)度強(qiáng)調(diào)氣動(dòng)外形的重要性，這樣雖然獲得了最優(yōu)的氣動(dòng)外形，但卻伴隨著難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和昂貴的材料。第二種，犧牲部分氣動(dòng)性能換取結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通常的做法是降低對(duì)葉片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)在最優(yōu)的氣動(dòng)外形附近進(jìn)行小范圍的調(diào)整來(lái)達(dá)到犧牲少量的氣動(dòng)性能換取好的結(jié)構(gòu)性能的目的。但該方法改變的空間不大。第三種，同時(shí)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了達(dá)到更加接近全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，該方法主要借助于CAD和高性能計(jì)算手段，同時(shí)優(yōu)化葉片的結(jié)構(gòu)和形狀。這種方法計(jì)算量巨大，所以該方法在工程上應(yīng)用比較少。

最優(yōu)設(shè)計(jì)方法

通過(guò)對(duì)前三種已有的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析得出：設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何平衡氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果形狀設(shè)計(jì)完全不考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)果很可能在制作過(guò)程中結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)；而如果在氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段過(guò)多考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又會(huì)因計(jì)算復(fù)雜而影響工程的可行性。綜合考慮設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)化，設(shè)計(jì)難度、工程可行性、軟件的實(shí)現(xiàn)等現(xiàn)實(shí)因素，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，以現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)公式，先進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步結(jié)果為參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，最后用氣動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果來(lái)校核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

（1）葉片翼型布局： 葉片頂部，翼型較薄，具有較大的最大升阻比。對(duì)于葉展中部的翼型，側(cè)重于強(qiáng)度和幾何兼容的特性，翼型的厚度與弦長(zhǎng)的比達(dá)到0.25左右，對(duì)最大升阻比的要求減弱。出于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的考慮，風(fēng)力機(jī)根部區(qū)域采用厚翼型結(jié)構(gòu)。

（2）鈍后緣翼型：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長(zhǎng)、質(zhì)量大，葉片要承受彎曲荷載和疲勞荷載，葉片內(nèi)圈較其他部位更易破損，為了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，在大型風(fēng)力機(jī)的根部需要布置厚翼型，可大厚度尖后緣翼型氣動(dòng)性能不如薄翼型，為了改善厚翼型氣動(dòng)性能，現(xiàn)代大型風(fēng)機(jī)選擇鈍后緣翼型。鈍后緣翼型是對(duì)現(xiàn)有翼型的改進(jìn)，與傳統(tǒng)翼型相比，鈍后緣翼型在結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力特性上有一些優(yōu)點(diǎn)：第一，對(duì)于給定厚度的翼型，鈍后緣翼型可以增加葉片的截面面積和慣性矩，提高抗彎和抗扭強(qiáng)度；第二，鈍后緣翼型可以增加其截面的最大升力系數(shù)和升力曲線斜率，可有效降低翼型的污染敏感度；第三，鈍后緣翼型可以在增加翼型最大厚度的同時(shí)，相應(yīng)地降低了氣流通過(guò)截面最厚點(diǎn)后的逆壓力梯度，從而推遲或避免氣流的分離，改善其氣動(dòng)性能。

總結(jié)

隨著風(fēng)力機(jī)的功率越來(lái)越大，導(dǎo)致葉片的重量不斷增加，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題突出。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法注重葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮得較少，或犧牲葉片的結(jié)構(gòu)性能來(lái)使氣動(dòng)性能達(dá)到最佳。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)，特別是兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)在進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法使結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。為了解決傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，本文采用以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，在氣動(dòng)設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很好地解決此問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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Introduction to large wind turbine blade design

Zhang dongxia Cao fei

（Jiangxi Yuzhou Scientific Technological Institute， Xinyu 338029 China）

Abstract： with the development of science and technology， of stand-alone wind turbine capacity increasing， the traditional design method of pneumatic design is preferred， can not fully meet the requirements of high power wind turbine for structural stability. So this article introduces a kind of structure before the blunt trailing edge airfoil aerodynamic design method， the design results well meet the demand of large fan.

Keywords： wind power generation， blunt trailing edge airfoil

作者簡(jiǎn)介：張冬霞（1984，08～）女，河南南陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：材料物理。