復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探析

朱文雯

【摘?要】針對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，葉片是該設(shè)備的重要部件，在設(shè)備運行過程中，通過葉片實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。結(jié)合當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作情況來看，較好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動性能較好，進(jìn)而獲得更佳的經(jīng)濟(jì)效益。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行過程中，葉片本身的氣動性能是發(fā)電機(jī)本身氣動性能的一種表現(xiàn)，由此可見，葉片設(shè)計對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)有著十分重要的影響。本文主要內(nèi)容探究了復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，希望能為我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化升級有所啟示。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;發(fā)電機(jī);葉片結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計;探析

引言

當(dāng)前，在全世界范圍內(nèi)都面臨著能源危機(jī)這一問題，生態(tài)環(huán)境的日益惡化使得人們愈發(fā)重視環(huán)境問題。清潔風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的新能源技術(shù)，近些年來取得了前所未有的發(fā)展。各國在發(fā)展過程中不斷針對風(fēng)力發(fā)電問題探究出了新材料與新技術(shù)，加快了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)工作。在風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片能夠?qū)︼L(fēng)能進(jìn)行吸收，進(jìn)而將其抓換為機(jī)械能。在此過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片數(shù)量、翼型以及尖速都對風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量與效率有著直接影響。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)概述

風(fēng)能作為一種可再生的綠色能源，具有無污染、可再生等特點，基于此，在當(dāng)前全球環(huán)境日益惡化、資源短缺的情況下，各國都愈發(fā)重視風(fēng)能的利用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的設(shè)備，在運行過程中，機(jī)械功會帶動設(shè)備中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而后輸出交流電的電力設(shè)備。通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由儲能裝置、塔架、風(fēng)輪、調(diào)向器等組成。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行情況來看，其工作原理較為簡單，設(shè)備中的風(fēng)輪會在風(fēng)力的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時風(fēng)輪將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為了風(fēng)輪軸的機(jī)械能，發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動下便會旋轉(zhuǎn)發(fā)電[1]。從廣義的角度來看，風(fēng)能也是太陽能，我們也可以說是風(fēng)力發(fā)電機(jī)以太陽為熱源，以大氣為介質(zhì)的熱能利用發(fā)電機(jī)。在能源供應(yīng)日益緊張的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國家政策的支持下實現(xiàn)了快速發(fā)展，我國風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)近些年來迅速崛起，目前已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)風(fēng)電最為活躍的場所。

2項目介紹

2.1項目背景

本文以R1730葉片工藝優(yōu)化質(zhì)量改善項目為例，該項目立項時間為2017年3月，項目結(jié)束時間為2017年10月。在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)葉片部位存在有經(jīng)常發(fā)白、浸漬不良、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題，并且在葉片注樹脂管下還存在有發(fā)白、壓痕等現(xiàn)象。在該項目中，葉片占據(jù)總項目的一大部分，總體成本過高，為項目優(yōu)化運行帶來諸多影響[2]。

2.2項目疑難點

根據(jù)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的檢測結(jié)果來看，在優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的過程中，主要存在有葉片根部處塞片真空灌注不透、樹脂灌注管下出現(xiàn)較多的壓痕機(jī)發(fā)白、梁帽原來采用預(yù)制，現(xiàn)在使用一體灌注降本具有加大灌注難度等問題。此外，還存在有葉片內(nèi)包邊原先采用預(yù)制再膠接，一體預(yù)制增大浸漬不良風(fēng)險。這些問題的出現(xiàn)都為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化工作帶來影響，只有將這些問題有針對性的進(jìn)行檢查，最終才能夠確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，為后期風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高效率運行打下堅實的基礎(chǔ)[3]。

3復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行情況來看，發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)在整個系統(tǒng)中占有十分重要的作用，直接影響了系統(tǒng)的運行質(zhì)量與運行效率，由此可見對風(fēng)力發(fā)電葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的重要性。筆者結(jié)合自身多年經(jīng)驗，從以下內(nèi)容詳細(xì)論述了有關(guān)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.1優(yōu)化設(shè)計方法

在對復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，設(shè)計人員需要充分考慮整個風(fēng)力發(fā)電項目的實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，從葉片材料、葉片載荷、葉片剖面結(jié)構(gòu)等方面入手，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，以便提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行質(zhì)量與效率，推動風(fēng)力發(fā)電項目順利開展。

3.2優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型

3.2.1復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的材料選擇

在選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料的過程中，需要充分考慮到葉片材料的可靠性、安全性以及物理特性等，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在復(fù)雜的環(huán)境下都能夠正常運行。針對于復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片而言，主要包含有碳纖維、玻璃纖維兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。其中，玻璃纖維的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有可設(shè)計性強(qiáng)、重量輕、性價比高等特點，在傳統(tǒng)風(fēng)電葉片中應(yīng)用較為廣泛。隨著風(fēng)力發(fā)電項目探究的不斷進(jìn)步，有關(guān)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)電機(jī)葉片在容量需求較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)項目中逐漸被應(yīng)用。兩種復(fù)合材料之間各有優(yōu)缺點。相較于玻璃纖維而言，碳纖維的優(yōu)點更加明顯。其他條件相同的情況下，碳纖維的葉片質(zhì)量明顯低于玻璃纖維的葉片，滿足了風(fēng)力發(fā)電設(shè)計中輕量化的要求。但是因為碳纖維的材料價格較高，甚至為玻璃纖維葉片的十倍，不能滿足商家的利益需求，因此，那么葉片輕量化程度較高，在大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電項目中仍舊選擇的是玻璃纖維的發(fā)電機(jī)葉片。

3.2.2葉片剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片剖面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要對剖面結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行運算。葉片剖面的厚度、弦長以及截面形狀的不同，會使得發(fā)電機(jī)葉片剖面結(jié)構(gòu)幾何特性也會發(fā)生相應(yīng)的改變。具體情況如下所示，下圖為葉片翼型剖面圖。

在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化時，可以按照以下公式進(jìn)行運算。

3.2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片鋪層設(shè)計

葉面鋪層設(shè)計可以說是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。在此過程中，設(shè)計人員需要結(jié)合實際情況，在原先鋪層方案的基礎(chǔ)上對葉片設(shè)計不斷優(yōu)化，使得葉片能夠充分發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)特性。針對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片而言，鋪層方法的不同會使得葉片最終的運行結(jié)果也不相同，甚至一點距離都會造成較大的影響。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要因素在于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片鋪層內(nèi)部較為復(fù)雜。基于此，設(shè)計人員要嚴(yán)格把控優(yōu)化設(shè)計的每個環(huán)節(jié)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行打下堅實的基礎(chǔ)[4]。

3.2.4葉片載荷分析

在現(xiàn)實生活中，葉片載荷本身的工作狀態(tài)以及自然環(huán)境不同，那么所承受的載荷也會有所不同。針對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片而言，常見的載荷劃分有氣動載荷、重力載荷以及離心力載荷。工作人員只要按照實際情況，結(jié)合工程項目所處區(qū)域的環(huán)境合理設(shè)計葉片載荷，保證葉片可以承受各方面的載荷。確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)在后期可以正常運行。

3.2.5風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)風(fēng)力機(jī)在較為復(fù)雜的自然環(huán)境中運行時，不僅要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颍€需要適應(yīng)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力條件。葉片身為風(fēng)力機(jī)的重要組成內(nèi)容，在運行過程中需要承受多方面的載荷，葉片本身的結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度、穩(wěn)定性對于風(fēng)力機(jī)的運行起著十分重要的作用。設(shè)計人員在設(shè)計風(fēng)力葉片的過程中，首先需要對風(fēng)力機(jī)葉片展開分析，其中包含有葉片的靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析、穩(wěn)定分析等內(nèi)容，以便能夠得出具體參數(shù)，為風(fēng)力機(jī)葉片的制造提供強(qiáng)有力的信息支持。

3.2.6葉片蒙皮優(yōu)化

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的運行情況來看，葉片在離心載荷、重力載荷以及氣動載荷的作用下，處于不同位置會發(fā)生不同變化。通常情況下，長約12.5m的葉片，應(yīng)力主要集中在0～9m處，設(shè)計人員需要注意對此部位的葉片蒙皮進(jìn)行優(yōu)化，以便能夠提高葉片質(zhì)量，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)后續(xù)運行提供保障。

3.3優(yōu)化設(shè)計程序

在確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行功率的情況下，如何能夠獲取更大的風(fēng)能，使得發(fā)電效率得以提高是目前我國風(fēng)力發(fā)電項目所追求的目標(biāo)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行過程中，發(fā)電機(jī)的捕風(fēng)能力與發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計有著直接聯(lián)系。發(fā)電機(jī)葉片可以說是風(fēng)力發(fā)電項目的最核心技術(shù)，因此對于發(fā)電機(jī)的葉片要求較高。這一因素也是導(dǎo)致葉片技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵因素，只有對其不斷優(yōu)化，最終才能促使風(fēng)力發(fā)電葉片的復(fù)合材料得到有效應(yīng)用。總的來說，葉片優(yōu)化程度要以材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等順利逐一開展，提高葉片整體質(zhì)量[5]。

設(shè)計人員在優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計的過程中，首先要合理規(guī)劃葉片優(yōu)化設(shè)計程序，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年能量輸出進(jìn)行全面掌握。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換過程中不可避免會出現(xiàn)能量損失現(xiàn)象，因此在優(yōu)化葉片的過程中，要設(shè)計出具有高吸收率的葉片，進(jìn)而能夠更好的利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量與效率[6]。

4解決疑難方案

根據(jù)當(dāng)前我國社會發(fā)展情況來看，能源在一定程度上體現(xiàn)了國家本身的競爭力，一個國家的能源是否充足，決定了這個國家國力的強(qiáng)弱。尤其是在煤炭、石油等不可再生資源逐漸減少的情況下，開發(fā)新能源成為各個國家發(fā)展過程中的主要任務(wù)。風(fēng)能身為一種可再生資源，有關(guān)研究在我國起步較晚，與發(fā)達(dá)國家存在著諸多差距，因此我國更要對此引起重視。在當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行時，風(fēng)力發(fā)電葉片難免會遇到塞片真空灌注不透等疑難問題，針對這一問題可以通過選擇預(yù)制塞片的方式，或者通過打孔工作增加樹脂的流動性，不斷優(yōu)化葉片尺寸，使其能夠符合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行要求。此外，還可以通過樹脂灌注管下方墊PP板，增加樹脂的流動性及避免壓痕，減小應(yīng)力集中。葉片的梁帽采用一體灌注，導(dǎo)流網(wǎng)處切割導(dǎo)流槽，加雙層導(dǎo)流網(wǎng)。工作人員需要注意的是在灌注前的樹脂增加抽真空，減少氣泡，采用真空脫泡攪拌設(shè)備，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化工作得以順利開展，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)后續(xù)得以高質(zhì)量運行打下堅實的基礎(chǔ)[7]。

結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合當(dāng)前世界發(fā)展趨勢來看，未來各個國家之間的競爭便是能源的競爭，能源是否充足決定了國家的強(qiáng)弱。風(fēng)能作為一種可再生能源，逐漸被世界各國重視，在我國政策的扶持下，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)近些年來得到了快速發(fā)展。葉片身為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要的零件，直接關(guān)乎著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量與運行效率，基于此，設(shè)計人員在對葉片進(jìn)行優(yōu)化時，需要充分考慮到葉片的材料、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，為后期風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)順利運行的打下堅實的基礎(chǔ)。

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（作者單位：美安士工業(yè)科技（上海）有限公司）