淺談大型風電葉片結構設計方法

楊通權

摘 要：風電產業在發展綠色能源戰略下獲得突飛猛進發展，并且為了取得更好風力發電效益，對風電機組性能及質量也提出嶄新要求，而風電葉片作為風電機組關鍵組成部分，確保其設計科學合理，可以使風電機組的整體性能得到顯著提高，并保證其獲得安全高效運行。本文結合大型風電葉片結構設計概述，從葉片外形、承載結構、氣動平衡等方面著手，對風電葉片結構設計方法及要點進行詳盡探討，以供參考。

關鍵詞：大型風電;葉片結構;設計方法;探討

在社會經濟、科學技術不斷發展背景下，人們生活水平日益提升，開展生產生活活動所需電力也日益增長，而我國風能資源儲存十分豐富，開發利用也比較低，這就為風電事業快速發展提供了廣闊空間，為有效滿足風電市場快速增長的需求，就要進一步提高風電設備設計制造能力，尤其是在風電葉片結構設計方面，作為風電機組研發的關鍵，對其進行科學設計不僅可以保證機組安全、高效運行，還能夠對風電機組核心技術快速掌握，并推動風電事業獲得進一步發展[1]。基于此，大型風電葉片結構設計方法展開分析和探討。

1 大型風電葉片結構設計概述

對大型風電葉片結構進行設計，就是風電葉片材料選擇、結構形式確定和參數優化設計的過程，通過對這些葉片結構設計要素進行全面、綜合分析，使風電葉片結構具備較好的剛度、強度及穩定性，具體實踐中也要結合極限強度、動力學特征、葉尖變形要求等，對風電葉片結構進行優化設計，確保其在實踐應用中能夠取得良好性能，以風電葉片材料選擇為例，操作中要盡可能的選擇鋁合金、碳纖維增強復合材料等加以應用，涉及的內部夾心結構則要使用輕木、PVC等材料，以達到結構強度、剛度要求。

2 大型風電葉片結構設計方法

2.1 結構外形

結構外形設計作為大型風電葉片結構設計的基礎內容，其設計質量好壞也會對機組整體性能提升產生極大影響，因此需要對其引起高度重視，實踐中也可以采取威爾森、Glauert、動量葉素理論等方法，對風電葉片結構外形進行有效分析，若對Glauert方法加以應用，就會對風輪后渦流流動進行考慮，并在完成葉片結構外形初步設計以后，對氣動性能進行修正和優化;若對動量葉素理論方法進行運用，就需要對風輪軸線截面與葉片氣動力之間關系進行詳細分析，以達到明確風電葉片參數與旋翼之間相關性目的;而使用威爾森方法對風電葉片外形進行改進和優化，在風電葉片氣動外形設計中應用較為廣泛[2]。

2.2 承載結構

1）葉片構造。在對葉片構造進行設計時，需要結合葉片實際受到荷載情況，對結構形式加以確定，針對空腹薄壁的葉片結構，在荷載作用下容易出現變形過大、局部失穩等情況，這時候就需要在空腹內采取填充夾心材料、設置加強肋等措施，使結構整體強度和剛度得到提高。實際制造過程中，多會采用葉片上下殼體、抗剪腹板獨立成型等方法，使上下殼體與抗剪腹板之間進行有效粘結，使之構成較為完整的獨立葉片，而葉片蒙皮及主梁帽加工需要纖維鋪設與灌注同時進行，可以使葉片整體強度得到提高，并且為了降低設計難度，操作中可以對蒙皮和主梁帽進行分別設計，既能夠簡化設計，又能夠保證葉片性能[3]。另外，根據葉片展向結構可以將其分為葉根區、過渡翼型區和完全翼型區，對這些區域進行構造設計，需要建立受載情況、外形限制、結構要求準確把握基礎上，使結構設計能夠達到葉片整體結構性能要求。

2）葉片強度及剛度。對大型風電葉片結構加以設計，涉及的風電葉片都會采用復合材料，實踐中主要包含蒙皮鋪層和主梁帽鋪層2項內容，其中葉片蒙皮主要發揮扭轉力矩作用，并可以提供氣動外形，若不考慮腹板影響，就可以將葉片視為閉口薄壁梁，并結合蒙皮任意一點單元體應力情況，對蒙皮強度進行計算，并以此確定葉片蒙皮厚度。對主梁帽鋪層進行設計，主梁帽作為葉片承受彎曲荷載的關鍵部件，需要根據鋪層參數，對截面實際剛度進行計算，并聯合材料參數、蒙皮厚度、主梁位置、鋪層參數等，逐層求和得到相對應的實際截面剛度，并對主梁鋪層數加以明確。而對葉片剛度加以設計，需要建立在葉片截面位移基礎之上，實際設計中也要對設計條件加以設定，并對截面位移實際情況進行求解，得到截面實際抗彎剛度以后，就能夠開展截面形狀設計，這一過程中也要對風電葉片抗彎結構尺寸進行科學確定[4]。

2.3 氣動與結構平衡

1）影響因素。葉片氣動與結構影響因素包含：（1）翼型厚度，風電葉片作為具有一定厚度的殼體，并且呈現出從葉根至葉尖逐漸減少的特征，針對大型風電葉片受力比較大，因此需要隊葉片翼型厚度對氣動性能造成影響加以關注，設計中對大厚度翼型加以選擇，就需要為葉片承載結構留出足夠的空間，而葉片主梁需要布置到葉片內部當中，實踐中可以采用箱型、工字型方式進行操作;（2）葉片實度，在葉片數目及長度明確基礎上，葉片弦長就會對實度大小產生直接影響，為此可以采取改變葉片弦長的方式，得到不同葉片實度，并對氣動性能加以計算，以對實度對葉片最大效率產生的影響進行分析，結果發現實度與氣動效率存在反比關系[5]。

2）變槳中心確定。由于葉片會受到啟動扭矩、離心力扭矩、變槳慣性力矩等作用，并且隨著變槳中心逐漸向氣動中心加以靠近，其氣動力扭矩也會不斷減少，而氣動中心與變槳中心位置處于固定狀態時，氣動扭矩大小與葉片長度氣動力存在緊密聯系，為了使葉片承受的扭矩減小，就要對變槳中心位置加以優化，使葉片截面翼型氣動中心與截面重心盡可能的挨近，該種設計也能使葉片抗彎能力得到進一步提升[5]。

3 結語

本文是基于對大型風電葉片結構設計方法的探討，風能作為一種清潔能源，為我國風電事業提供了巨大發展空間，但是受到風電事業起步較晚、核心技術掌握不足等因素影響，導致風力發電效果不夠理想，需要加強風電葉片結構設計研究，實踐中可以從結構外形、承載結構、氣動結構平衡等方面入手，保證風電葉片結構設計科學合理，提高風電機組整體性能及質量，使之更好滿足風電市場實際需求，并帶動風電事業快速持續發展。

參考文獻

[1]鄭玉巧.大型風電機組柔性葉片的結構優化設計方法研究[D].甘肅：蘭州理工大學，2016.

[2]張滿闖.一種新型風電葉片吊裝夾具的結構設計與強度分析[J].工程機械，2020，51（1）：3-6.

[3]劉奇星，鄭永，高康，等.大型風電葉片結構設計方法研究[J].中國機械，2015，（8）：21-22.

[4]徐宇，廖猜猜，張淑麗，等.大型風電葉片設計制造技術發展趨勢[J].中國科學（物理學力學天文學），2016，46（12）：1-10.

[5]何光男，袁光明，王景華，等.風電葉片后緣疲勞加載設備搖臂支架結構優化設計[J].可再生能源，2020，38（3）：340-346.