風力發電機的葉片設計優化分析

衣峻鋒

摘 要：風能作為相對成熟且具有開發價值的清潔能源，世界各國對風能利用方式與發電技術格外重視。風能利用的核心是風力發電機，其中最常用的類型是水平軸風力發電機，葉片是風力發電機組的主要構成部件，直接影響風能利用效率。因此做好風力發電機葉片優化設計具有現實意義。文章中作者主要分析風力發電機的葉片設計優化措施。

關鍵詞：風力發電機；葉片設計；優化措施

引言

受到科技水平與制造技術的限制，我國風電設備制造依舊沒有實現國產化，關鍵部件依舊需要從國外進口，造成設備成本偏高，因此實際中有必要實現風力發電設備國產化，提高我國研發風力發電機組的技術能力，降低發電成本，促進市場競爭力的提高。文章中作者以葉片設計為研究對象，闡述具體的優化措施，提高風力發電效率。

1 風力發電機概述

風力發電機組裝置構成較為復雜，主要包括發動機、風輪、發電機及控制設備等，主要功能在于將風能轉化為機械能或電能。其中風輪是風力發電機的主要構成部分，在風力作用下風輪迅速旋轉，實現能量的轉換。實際中依據風輪結構以及氣流中風輪的位置，將風輪分成水平軸與垂直軸兩類。水平軸風力發電機風輪正常工作時，圍繞水平軸不斷旋轉，風向與旋轉平面相互垂直，葉片徑向安裝在風輪上且垂直于旋轉軸，同時葉片與旋轉平面保證一定程度的夾角，其構成如圖1所示。文章中主要以水平軸風力發電機為研究對象，展開相關論述。

2 風力發電機葉片材料分析

傳統的風力發電機葉片材料為帆布與木質，現在已經發展成為以復合材料為主。復合材料由兩種或以上的材料構成，以某一種原料為基礎，采用另外一種材料增加機體性能，充分滿足實際中的各項需求。選擇復合材料的時候，需要充分考慮機體與增強體材料的作用，確保葉片使用性能。目前樹脂與增強材料共同構成的葉片是主要的葉片來源。

樹脂價格極低且具備良好工藝性能，中小型風力發電機制造過程中此種葉片具有顯著優勢。但其缺點也比較明顯，就是固化過程中收縮率大、成型過程存在毒性與氣味等。這點來說環氧樹脂有著更好的力學性能與尺寸穩定性，強耐腐蝕性，但生產成本偏高，因此實際中并沒有廣泛應用。

常用的葉片增強材料有三種：玻璃纖維、碳纖維及兩者混合的混雜材料。（1）玻璃纖維。作為典型的無機非金屬材料，玻璃纖維性能優越，有著絕緣性、高強度、保溫性及柔軟性，與樹脂組合形成良好的結構用材；（2）碳纖維。作為無機高分子纖維有著碳材料的特性，還有著其他優勢，比如體積小、質量輕及導電性能等，均衡風力發電機輸出功率，促進風能利用效率的提高；（3）兩者混合的混雜材料?，F階段風電葉片長度與要求不斷提高，采用混雜材料促進葉片強度的提高，降低葉片自重與成本造價，在實際中有著廣泛的應用。

3 風力發電機的葉片設計優化分析

風力發電機葉片設計優化時，需要從葉型選擇開始，有效控制葉片設計質量，提高發電效率。

3.1 設計理論分析

葉片作為主要的風力發電機部件，其設計質量直接與發電機組設備運行效率相連，因此需要有意識提高葉片設計水平與質量，促進風力發電技術的進步完善。風力電阻葉片部件關鍵技術較多，主要有葉片結構、葉片材料及設計理論，其中風電機組最核心的部分包括葉片翼型設計與結構形式。葉片設計中包括很多內容：翼型設計、幾何參數、葉片載荷及電氣自動化等，屬于典型的綜合性一體技術，影響發電機組工作性能。

除此之外，風電機組依靠葉片捕獲風能，葉片設計過程中綜合考慮系統因素，包括質量、工藝及離心力等，這些內容都需要格外重視；后續實踐中嚴格按照相關要求進行；葉片工作狀態下要求表面光滑、流線型，減少空氣摩擦阻力，并將潤滑油持續添加在葉輪與軸承中，考慮迎風狀態時的影響。

3.2 選擇合適葉型

葉片處于風力發電機組前段，其結構設計極為重要，主要功能涉及機組鋪貨風能功率容量及后端機械能供電，通常在選擇時需要考慮合適的方法。

Betz直接研究風輪工作狀態的轉化效率將其作為一元定常流動理論的基礎，在此基礎上勾勒出葉片的簡單外形，以仿真模擬實驗檢驗，發現實際中理論效果很難實現，同時續航能力較弱，不具備實際操作價值；學者Glauert以葉素理論為基礎，通過葉片外形設計，結合優化設計。但并沒有考慮機組效率受到翼型阻力與葉片磨損的影響，這就造成無風狀態下外形設計不受影響，但處于迎風狀態下，會對風輪氣動性能產生直接影響。這兩種理論都存在一定缺陷，因此實際中通常綜合兩種理論，實際中以Glauert作為基礎采用Wilson理論，采用一定優化措施，這是風能發電機組常用的方法。選擇葉片翼型特別重要，這是因為氣動性能直接影響機組使用壽命與特性，影響風能利用系數。

3.3 修正啟動能量損失

風電機組處于迎風狀態時，系統需要同時承受自重、旋轉離心力及空氣動力，葉片旋轉過程中會出現扭轉、揮舞等方式的振動。扭轉狀態造成葉片與軸承間出現扭轉振動，葉片旋轉平面的彎曲振動直觀表現為擺振，這些交織作用影響下系統慢慢趨于穩定，一旦各項平衡受力中出現變化，葉片磨損度增加，影響葉片使用壽命，情況嚴重時直接對軸承造成破壞。軸承旋轉速率受到這類因素的影響，直接損失大量氣動能量，氣動力學是需要重點考慮的問題。設計葉片時裝置上存在扭角，弱主軸與葉片旋轉平面相互垂直，主軸葉片彎曲勢必造成相鄰主軸的彎曲，系統穩定不受揮舞振動與擺振的影響；扭轉振動發生時，扭轉載荷不足，葉片設計受到扭曲承受能力的影響，確保自然頻率遠超激振頻率。

4 結束語

總而言之，我國有著豐富的風能資源，風電技術有著廣闊的應用前景，加上風能發電技術符合我國的可持續發展戰略，因此做好相關研究工作具有現實意義。文章中作者主要探討風力發電機葉片設計優化措施。

參考文獻

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