風力發電機組風輪優化設計

劉敬波

[摘 ? ?要 ]隨著社會經濟的不斷發展，各國對能源的需求也在逐漸增長，傳統能源已經處于供不應求的狀態，為了滿足人們多樣化的需求，我國開始開發新能源。風能屬于清潔能源，能有效緩解環境污染的問題，使人與自然和諧相處。本文對風輪在風力發電機組的重要作用進行分析，明確風輪材料輪轂和葉片的屬性，分別探究輪轂和葉片的優化設計模式。一方面要優化驗證輪轂拓撲結構和減重結構、改進輪轂模型，另一方面要明確葉片常見的設計方法、確定設計參數、優化設計發電機組模型、構建葉片外形設計模型。這樣能優化風力發電機組風輪的結構，提升應用效果。

[關鍵詞]風力發電機組;風輪設計;輪轂

[中圖分類號]TM315 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the continuous development of society and economy， the demand for energy in various countries is gradually increasing. Traditional energy is already in short supply. In order to meet the diverse needs of people， my country has begun to develop new energy. Wind energy is a clean energy source， which can effectively alleviate the problem of environmental pollution and ensure harmony between man and nature. This paper analyzes the important role of wind turbines in wind turbines， clarifies the properties of the wind turbine material hub and blades， and explores the optimal design modes of the hub and blades respectively. On the one hand， it is necessary to optimize and verify the hub topology and weight reduction structure， and to improve the hub model. On the other hand， it is necessary to clarify the common design methods of blades， determine the design parameters， optimize the design of the generator set model， and construct the blade shape design model. In this way， the structure of the wind wheel of the wind turbine generator can be optimized， and the application effect can be improved.

[Keywords]wind turbine;wind wheel design;hub

風力發電機組的運行原理較為簡單，主要是把風能轉化為機械能，再把機械能轉化為電能，達到風力發電的效果。風力發電機組由5部分組成，即風輪、機頭、機尾、回轉體以及塔架。其中風輪在整個機組機構中發揮著不可或缺的作用，其主要由輪轂和葉片組成，風輪是保障風力發電機組運行的關鍵因素，能有效地把風能轉化為機械能。

1 風輪在風力發電機組的重要作用

在能源學和電力學中，風力發電機組中的風輪能有效地把風能轉化為機械能。風輪的模式多種多樣，總結起來一共分為兩種，垂直軸風輪和水平軸風輪，判斷依據就是其內部旋轉軸與風向的位置關系。目前，全國的電能產業空前的發展，為風力機組產業帶來機遇，其中風輪是核心要素，其應用性能決定整個風力機組利用風能的效果以及機組承受的壓力負荷，與電能開發的經濟性和機組運行性能有著密切地聯系，并且風輪中的葉片是機組中最重要的零部件，其成本占據總成本的18%左右。

2 風輪材料和屬性

2.1 輪轂

輪轂的作用為連接電力發電系統的主軸和葉片，需要承受多樣化的交變荷載，所以它應該具備較高的強度。為了滿足應用的基本要求，部分輪轂設計得較為笨重，無形中增加制造的成本，與此同時因為轉動的慣性量超過限定的范圍，增加了控制的難度，所以應該對其進行優化設計。我國在風力發電領域的經驗不夠充足，許多大型的風電廠都引進圖樣進行機械制造工作。但是在借鑒國外技術的基礎上，還應該進行科學地改進，對輪轂結構進行優化，打造中國特有的風力發電機組。

2.2 葉片

風力發電機組逐漸向大型化模式發展，它的葉片的長度值逐漸增加，捕獲的風量逐漸提升。現階段，生產商們逐漸提高對葉片材料的關注度，應用高質量的材料，提高葉片的剛性和強度。比如，最近市場中出現一種三維混雜材料，它的強度和剛度較高，是由樹脂灌注而成，操作較為簡單，灌注效率高，且葉片的結構較厚，能把鋪設的厚度控制在合理范圍內，提升勞動力資源的利用價值[1]。

3 風力發電機組風輪優化設計

3.1 輪轂

3.1.1 輪轂拓撲結構優化驗證

（1）輪轂與3個葉片組合在一起形成風輪。風能被風輪捕捉，隨后在主軸的助力下傳輸到增速齒輪箱中。假設已經知道主軸和變漿軸承的尺寸，構建輪轂的拓撲結構模型。整個模型的主要要素為主軸法蘭、葉片變漿軸承和輪轂。把一個實心柱體作為需要設計輪轂的空間，在已知其他兩個要素的情況下，由它們決定邊界條件添加的要求。輪轂需要承受3個葉片的壓力，荷載主要位于中心點上，用來表示對輪轂的壓力。借助Bladed軟件能得出力的方向和大小，是一種極限荷載力。

（1）拓撲優化以變密度為基本理論。在優化設計時引入一種密度可見材料，密度和參數之間的關系是人為定義的。把單元的設計密度P作為變量，有材料表示為P=1，沒有材料表示為P=0，把拓撲優化目標設置為結構應變最小，保證材料的應力要低于許用應力。使用OptiStruct軟件對拓撲進行優化設計，優化的結果為輪轂位于一個球上。這就說明球狀的輪轂拓撲符合要求。為了進一步探究輪轂在空心球分布的科學性，可以把它簡化為殼狀的模型，經過二次拓撲操作后，對邊界荷載進行優化。

（3）對輪轂結構進行驗證。輪轂的外形結構為厚度分布不均勻的球體，其內部為空心狀。在輪轂中越靠近主軸的法蘭，其內壁越厚。輪轂的大小與優化空間毛坯的大小有直接的聯系，設計人員可以根據自身情況進行優化。此外，要提高對輪轂減重問題的關注度，在其中間位置開設3個小孔，但是隨著小孔的增加，鑄造難度也會有所提升，因為小孔會增加輪轂的應力。經過綜合性的探究，輪轂應該設計為球狀。

3.1.2 輪轂減重結構優化

（1）經過拓撲優化，輪轂應該為球形，保障其半徑處于恒定狀態，導致輪轂重量過高的主要因素就是它的壁厚。在優化自由尺寸時應該明確壁厚的一般分布規律。

（2）建立有限元模型。因為輪轂結構較為煩瑣，選取其中的中性面，利用形殼確定輪轂。把輪轂設置為設計空間，主軸法蘭和軸承為非設計空間，構建有限模型。

（3）優化自由模型。對所有單元的厚度進行探究，設計的目標為確保輪轂的重量最輕，限制條件為單元應力值低于材料的許用應力，并且輪轂的內壁厚度大于3 cm。為了把輪轂厚度控制在合理的范圍內，內壁厚度設置為15 cm。經過優化可知，輪轂厚度的最大值為12 cm，位于主軸和輪轂法蘭連接的位置。一般區域的厚度都在3 cm左右。厚度的分布規律為距離輪轂越近，厚度值越高，這個結論可以與前面的拓撲結果形成對應。因此可以根據這個結論進行重新設計工作[2]。

3.1.3 輪轂改進模型

以前面尺寸設計優化的結論為基礎，對輪轂的結構進行優化設計，把輪轂的半徑減小，輪轂的內壁厚度應該依據尺寸優化需求進行設計，同時要對輪轂的疲勞強度和極限靜強度進行計算。修正前后的具體數值為：原始模型的靜強度參數為64 MPa、疲勞壽命為1.14E9、質量為7.61 t;改進模型的靜強度參數為31.1 MPa、疲勞壽命為4.96E9、質量為6.23 t。

3.2 葉片

3.2.1 葉片常見的設計方法

因為發電的環境存在一定的特殊性，風力發電機組的葉片在設計時容易受到其他因素的干擾。所以在不同的情況下應該使用不同的設計方法，比如系數法、Wilson設計法、圖解法和簡化風車設計法等。以Wilson為基礎對葉片的外形進行設計和創新，進行優化設計的主要目的就是提高風電機組的運行效果，為生產發展助力。現階段，我國還沒有完善風電機組設計理論，不僅要符合函數的基本理念，還要把葉片的外形設計參數控制在科學范圍內。在設計時需要對展弦數值進行重點考量，探究在不同情況下氣動數值的變化情況，經過反復多次計算明確數值的變化走向情況。利用建模構架數學資料庫，為優化設計葉片提供助力。葉片材料是優化設計的重中之重，在設計時應該保證葉片的柔韌性，因為機組在高速運轉時葉片也會與其他的零部件進行碰撞。使用預彎技術能減輕它的重量，降低生產成本。

3.2.2 確定重要設計參數

（1）額定功率。它主要指當風力發電機組在正常的運行模式下，風輪機輸出的最大的效率。如果其處于最佳的運行狀態就表示機組在運行時達到最大功率。如果確定了額定的數值那就會對整個機組的運行狀態和工作情況造成影響。只有進行科學的數值設計工作才能從根本上發揮風力發電機組的最大價值，增強風力發電的效果。

（2）額定風速。在設計葉片時要對風速進行科學地把控，風力發電機組運行的基本原理為利用葉片轉動來產生機械能，之后把機械能轉變為電能。所以在進行優化設計時要精準計算額定的風速。簡單來說額定風速就是在額定功率下葉片轉動的速度，它會隨著功率的改變而發生改變。

（3）空氣密度。因為風力發電機組在運行的過程中對環境有較高的要求，在設計葉片時要對各種要素進行充分地考量，其中空氣密度會對機組的運行效果造成直接的影響，而溫度、風速、濕度和大氣運動也會對空氣的密度造成影響。

（4）直徑大小。在設計風輪的直徑時，需要把風力發電的額定數值控制在合理范圍內，結合實際的生產需求來調節風力的大小，測量區域的溫濕度，綜合考慮空氣的密度數值，確保能計算出最佳的直徑長度[3]。

3.2.3 發電機組優化設計模型

（1）確定目標函數。風力發電機組運行的根本目的是為提高風能的利用率，把其轉化為電力資源，為人們的生活助力。但是在實際的轉化中容易受到客觀因素的影響，所以在正式設計前應制定明確的目標函數。只有確定明確的目標，才能實現優化的目的。在確定目標函數的時候要以風力發電機組的驗收要求為基礎，計算出輸出功率數值和平均發電量來建立對應的目標函數，為工作的順利開展奠定堅實的基礎。

（2）明確葉片設計的優化條件。當地的自然條件能決定風力發電機組的運行情況，要掌握發電機組的運行效率和區域的風速，為優化工作提供數據參考，當完成所有的數據采集工作后就可以進行設計。在函數中呈現風速的變化走向時，以風速的變化規律明確功率的數值，如果風速達到限定的數值，機組內的數值也會隨之減少。利用片條理論對風輪的葉片功率值進行控制，在設計時要考量環境的影響因素，比如空氣密度、風速、損失系數等。因為風力發電機組兩邊的氣壓差異較大，當葉片運行時容易出現二次流動的問題，葉片的運行情況與機組的使用性能有直接的聯系，所以在設計中要對這些因素進行考量。

3.2.4 葉片外形設計模型

對葉片進行優化設計，這樣能提升整個風力發電機組的運行效果，在設計葉片時要考慮到空氣的流動情況，以理論為基礎確定具體的輸出情況，探究在不同狀態下的葉片運行情況，從而確定最佳的目標函數。同時，要考慮到葉片的荷載和強度，綜合考慮各項因素，提高風電機組的使用性能。

4 結束語

綜上所述，在能源高速損耗的背景下，開發和研究新能源刻不容緩，要科學把控能源之間的轉化問題。現階段，我國在風力發電機組風輪優化設計方面存在較大的進步空間，應該不斷總結和分析各個階段的實驗結果，制定最佳的設計方案，為之后的生產與生活奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 康旭東.750W12/8極垂直軸開關磁阻風力發電機設計及優化[D].石家莊：河北科技大學，2020.

[2] 齊劍峰.玻碳混合風電葉片結構優化設計及其氣彈特性分析[D].鄭州：中原工學院，2020.

[3] 張旭，李召暄，李偉.多種載荷作用下H型垂直軸風力機葉片的結構優化[J].農業工程學報，2020，36（7）：83-91.