大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

劉奇星　鄭永　高康　李東旭　卜繼玲

摘 要：隨著綠色能源的推廣與利用，對(duì)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。作為風(fēng)電機(jī)組的主要部件，葉片的設(shè)計(jì)方法一直是風(fēng)電機(jī)組研發(fā)的關(guān)鍵。本文主要對(duì)大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；方法

前言

近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電設(shè)備在技術(shù)水平與創(chuàng)新方面已有了突破性的成就，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在很大差距，尤其在大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。因此，如何完善設(shè)計(jì)方法將是未來(lái)提高風(fēng)電機(jī)組核心技術(shù)的必然途徑。

1.風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的基本概述

1.1 風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)

風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際是對(duì)葉片參數(shù)的選取與確定的過(guò)程，其中的參數(shù)對(duì)葉片的性能起決定性的作用。一般對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)主要目標(biāo)在于：第一，通過(guò)較好的空氣動(dòng)力外形獲得風(fēng)能。第二，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度能夠承受各種荷載。第三，其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性較好，防止出現(xiàn)共振與顫振。第四，葉片重量的降低使制造成本減少。設(shè)計(jì)的過(guò)程主要分為對(duì)氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要對(duì)葉片幾何外形做出最佳的選擇，實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量最大的目標(biāo)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要對(duì)葉片材料的選擇、葉片結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，使葉片的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 葉片外形設(shè)計(jì)的主要方法

風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定氣動(dòng)外形。葉片外形作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有一定的限制。一般對(duì)氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)的方法主要包括基于動(dòng)量葉素理論的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法、Glauert方法、以及維爾森方法。基于動(dòng)量葉素理論的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法通常用于對(duì)風(fēng)輪軸線截面與葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)力，并以此確定葉片參數(shù)與翼弦的關(guān)系。而Glauert方法主要對(duì)風(fēng)輪后渦流流動(dòng)進(jìn)行考慮，初步的設(shè)計(jì)、分析與修正氣動(dòng)性能，存在一定的局限性，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中屬于較好的指導(dǎo)方法。維爾森方法則是對(duì)Glauert方法的改進(jìn)，是當(dāng)前葉片啟動(dòng)外形設(shè)計(jì)常用方法之一[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求在于動(dòng)力學(xué)特性、設(shè)計(jì)壽命、極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件以及剛度設(shè)計(jì)條件與葉尖變形。在葉片材料方面，通常選擇鋁合金、玻璃鋼、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。葉片的內(nèi)部夾芯結(jié)構(gòu)一般以輕木與PVC為主，而且主體結(jié)構(gòu)中避免使用鋼材，只能將其作為葉片結(jié)構(gòu)的連接件。

2.葉片承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 葉片構(gòu)造設(shè)計(jì)分析

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要任務(wù)是葉片的構(gòu)造設(shè)計(jì)，以受載荷情況為依據(jù)，確定結(jié)構(gòu)的形式。如果葉片結(jié)構(gòu)屬于空腹薄壁，受載過(guò)程中便出現(xiàn)局部失穩(wěn)或變形過(guò)大的情況，因此在空腹內(nèi)需添加夾芯材料，或者設(shè)置加強(qiáng)肋以保證總體強(qiáng)度與剛度的提高。葉片的制造往往使用葉片上下殼體以及抗剪腹板獨(dú)立成型的方法，然后再將抗剪腹板與上下殼體粘結(jié)形成完成的葉片。為提高葉片整體強(qiáng)度，葉片上下殼體在加工時(shí)將同時(shí)進(jìn)行鋪設(shè)纖維與灌注，但實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中往往將葉片的上下殼體單獨(dú)設(shè)計(jì)，從而減小設(shè)計(jì)難度，保證葉片的性能。

對(duì)葉片各部分材料以及構(gòu)造形式確定之后，需將主梁在葉片內(nèi)部的位置與寬度等參數(shù)進(jìn)行確定，但注意遵循一定的原則：首先，葉片厚度較大處布置主梁，保證抗彎剛度；其次，啟動(dòng)中心、變槳中心與截面中心應(yīng)保持靠近，使重力作用下的扭矩減少；最后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以統(tǒng)一的形式表達(dá)參數(shù)，使后續(xù)的計(jì)算更為方便。

2.2 復(fù)合材料葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)

符合材料葉片設(shè)計(jì)主要包括蒙皮鋪層設(shè)計(jì)與主梁帽鋪層設(shè)計(jì)。葉片蒙皮可進(jìn)行氣動(dòng)外形的提供，也具有承擔(dān)扭轉(zhuǎn)力矩的作用。當(dāng)葉片腹板影響被忽略時(shí)，葉片可充當(dāng)閉口薄壁梁。這時(shí)需要假設(shè)一定的條件對(duì)蒙皮厚度進(jìn)行計(jì)算。另外，主梁帽鋪層設(shè)計(jì)，一般葉片承受彎曲荷載時(shí)，主梁帽發(fā)揮重要的作用。在計(jì)算過(guò)程中，需以葉片剛度條件為基礎(chǔ)對(duì)主梁帽厚度進(jìn)行計(jì)算。如果蒙皮厚度、主梁位置、材料參數(shù)、鋪層參數(shù)等在確定的情況下，可直接進(jìn)行逐層求和計(jì)算出截面的實(shí)際剛度，并根據(jù)鋪層數(shù)以及計(jì)算結(jié)果確定主梁鋪層數(shù)。

2.3 基于葉片截面位移的剛度設(shè)計(jì)

基于葉片截面位移的剛度設(shè)計(jì)，其過(guò)程主要為：首先設(shè)定條件；其次，截面位移的求解；再次，以截面位移為依據(jù)，對(duì)截面抗彎剛度進(jìn)行求解；最后以截面抗彎剛度為依據(jù)，反求截面形狀，并對(duì)葉片抗彎結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行確定。

3.結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)的平衡設(shè)計(jì)

3.1 葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)的影響因素

葉片長(zhǎng)度能夠確定的條件下葉片厚度、寬度與扭轉(zhuǎn)情況都會(huì)對(duì)葉片性能產(chǎn)生影響。從翼型厚度影響因素分析，因?yàn)轱L(fēng)電葉片可理解為具有厚度的殼體，而其厚度卻受氣動(dòng)翼型影響，一般厚度會(huì)從葉根到葉尖減少。因?yàn)榇笮惋L(fēng)電葉片需要對(duì)巨大的極端載荷進(jìn)行抵抗，所以葉片的厚度一般較大，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意把握葉片翼型的厚度。另外，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，影響比較大的還包括葉片的實(shí)度與扭角。實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，實(shí)度應(yīng)取在合理范圍內(nèi)。同時(shí)要把握扭角與槳距角和變槳位置的關(guān)系。

3.2 變槳中心的確定及其對(duì)外形與結(jié)構(gòu)的影響

從對(duì)葉片受力情況進(jìn)行分析中可以看到，葉片所受到的扭矩作用主要來(lái)自啟動(dòng)扭矩、離心力扭矩、重力扭矩以及變槳慣性力矩。如果使葉片各截面的變槳重心與中心保持重合，它的位置將出現(xiàn)在葉片最大最厚附近，這種設(shè)計(jì)有利于葉片承擔(dān)彎矩[3]。

4.結(jié)論

風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組有著重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需遵循一定的設(shè)計(jì)原則與方法，把握好對(duì)葉片承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)的平衡設(shè)計(jì)，才能保證風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為科學(xué)、合理，從而促進(jìn)風(fēng)電機(jī)組核心技術(shù)的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋聚眾.水平軸風(fēng)力機(jī)載荷工況設(shè)計(jì)方法研究[J].東方電氣評(píng)論，2010（2）：60-63.

[2]劉雄.風(fēng)力機(jī)槳葉總體優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)合形法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2011（12）：156-158.

[3]馬志勇.大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與研究[D].華北電力大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：

劉奇星（1981年5月—），男，漢族，籍貫湖南衡陽(yáng)。2012年畢業(yè)于湘潭大學(xué)，材料科學(xué)與工程專業(yè)。2012年就職于南車(chē)時(shí)代新材，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。