基于效率提升的風機葉片優化設計和應用

青海黃河風力發電有限責任公司 劉啟棟 嚴得鑫 左仲林 李煒明 孫志遠

隨著我國風電行業的高速發展，風機產品的設計技術不斷提高，尤其是葉片的設計技術。風機葉片的氣動性能通過氣動參數表征，而葉片氣動性能的提升主要通過優化葉片幾何結構和安裝方式。此外，風機的結構設計也可以從一定程度上提升風電機組的效率。隨著風電行業的不斷發展，風機產品性能不斷提高，單機容量不斷增加，風機葉片變得越來越長、越來越重。在風機設計中，通常采用增加材料厚度或增加材料長度來提高重量和效率[1-3]。因此，在滿足風電機組發電量需求的同時，如何提高風機質量、減少材料用量，以及降低制造成本成為業內研究的熱點問題。

1 基于效率提升的風機葉片優化設計

1.1 風機概況

金風S43/600風力發電機組的技術指標如下。

機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風向、三葉片；額定功率：125/600kW；風輪直徑：43m；輪轂中心高：40m，50m（根據塔架高度）；啟動風速：3m/s；額定風速：15m/s（與氣候條件有關）；停機風速：24m/s（10min）；最大抗風：70m/s（3s）；最大風能利用系數：CPmax ≥0.4；控制系統：計算機控制，可遠程監控；工作壽命：≥20年；工作環境溫度：-20℃～45℃（普通型），-30℃～45℃（寒帶型）；噪聲：≤50dB（A）（距機組150m 處）。

1.2 葉片優化設計

風機葉片優化設計主要是通過改變葉片的幾何參數和安裝方式，使葉片性能達到最佳狀態。同時，根據風機工況對葉片進行優化設計，使風機在滿足性能要求的同時，盡可能降低成本。該風機葉片可采用3種不同的安裝方式，分別是水平軸安裝、垂直軸安裝和混合安裝。在風機設計中，為了提升效率，通常會增加材料厚度和長度，使材料成本大大增加。而在上述案例中，通過對葉片進行優化設計和應用新型材料來提升風機效率。該案例風機葉輪直徑為2.5m，設計功率為2.4MW。根據以上分析結果可以看出，在不增加材料成本的情況下，優化設計后的葉片較原設計可以提升7.1%的效率。

1.3 葉片氣動性能優化

在風機設計中，氣動性能的優化一般是通過增加葉片長度和弦長來實現。但隨著風力發電機組尺寸的不斷增大，葉片長度增加到一定程度后，增加長度和增加弦長就會造成材料用量的增加和制造成本的增加。因此，在滿足風場條件要求下，葉片幾何結構的優化設計對于降低材料用量和提高風機效率具有重要意義。通常葉片的氣動性能可以通過葉片氣動參數進行表征，其氣動性能主要由葉尖速比、葉尖馬赫數和葉片弦長決定。在風機設計中，可以通過優化葉片幾何結構來提升風機效率，主要通過優化葉尖速比、葉尖馬赫數、葉片弦長等參數來實現。由于葉片安裝方式會對氣動性能產生影響，因此可以通過優化葉片安裝方式來提升風機效率[4]。

1.4 結構性能優化

葉片結構優化設計，是在保證葉片強度的基礎上，通過改變葉片截面形狀、結構形式和材料等方式，對葉片的氣動性能和強度進行優化。根據不同風場環境和載荷要求，可以通過以下3種方式優化葉片結構：第一，降低風機載荷。在某些極端風況下，葉片承受的載荷較大，可以通過改變葉片截面形狀或增加葉片長度來降低風力機的載荷。第二，優化葉片截面形狀。風機葉片通常采用矩形截面或圓形截面設計，對于某些極端工況，可以通過改變風機葉片截面形狀來提高起動性能。第三，優化材料選擇[5]。根據實際應用要求，確定葉片的截面形狀及參數范圍，在滿足強度條件下，通過改變葉片截面形狀及參數范圍來優化葉片結構。其中，增加厚度的方式主要是改變風力機的載荷，通過增加葉根厚度來提高葉尖速度及減小尾緣損失；增加長度的方式是增加葉尖區域的厚度，通過增加葉尖區域長度來提高氣動性能；采用復合材料方式則是通過改變復合材料的密度來提高強度。

1.5 新型材料應用

風機葉片是風電機組的核心部件，葉片的性能將直接影響到風機的發電量。目前，風機葉片常用材料有玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）和樹脂基復合材料（RPM）。GFRP 和CFRP 在葉片中主要用來制造翼型和翼肋，而RPM 主要用于制造葉片根部和根部以上的部分。

GFRP 具有質量輕、比強度高、耐疲勞性能好等優點，但價格較貴；CFRP 具有強度高、模量大、抗疲勞性能好等優點，但其耐疲勞性能差。因此，在實際應用中，通常將這兩種材料混合使用，以滿足不同性能要求。另外，還有一種新型復合材料——碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）。這種材料具有重量輕、比強度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕等優點，并且可以將葉片的強度和剛度相匹配，是一種新型的復合材料。

2 葉尖防松脫改造應用

石碑山風電場為早期開發建設風場，當時國內風力發電尚處于發展初期，采用定漿風機，風機停機必須將葉尖甩出氣動剎車，由于機型設計等原因，葉尖未有防松脫固定措施，隨著運行年限的增加，在機組運行過程中，存在葉尖墜落傷人隱患，必須進行防松脫技術改造，消除隱患。

需要將葉尖放至地面，使用固定夾具將葉尖碳管固定后，方可繼續進行銷釘的加裝工作，如圖1所示。

圖1 防松脫銷釘

圖2 防松脫銷釘安裝結構

使用熱風槍烘烤連接套兩端的厭氧膠，使用扳子將連接套沿逆時針方向旋轉松開，直至與鋼絲繩螺紋脫離。將銷釘一側的開口銷（GB/T916.3×50）恢復成平直狀態取出，取下墊圈（GB9520），將銷釘從液壓缸支架和液壓缸固定環中抽出，拆下液壓缸并用安全繩固定在液壓缸支架上。

將銷釘穿入液壓缸支架和提升機固定環，固定好開口銷。將提升機鋼絲繩連接套連接在葉片鋼絲繩上，拆卸裝配蓋板和制動座蓋板。葉根提升機連接完畢后，收緊葉尖，使導向軸頂絲螺紋孔面向操作者，使用熱烘槍吹烤導向軸上頂絲3～5min，直至將頂絲螺紋上厭氧膠烤化松動，取下頂絲。

使用鉤形扳手逆時針旋轉環眼螺釘（HT/FD43-210-04），距離以能取下定位卡環（HTFD43-210-06）為止（勿退出行程過大，導致葉尖脫落）。操作葉根提升機將葉尖放至地面。

拆卸葉尖連接銷Ⅰ（HT/FD43-000-04）和開口銷（GB/T914×36）將鋼絲繩壓裝件雙耳組件與環眼螺釘（HT/FD43-210-04）分離。提起鋼絲繩，利用大螺絲刀將制動彈簧（HT/FD43-120-02）、導向套（HT/FD43-120-01）和橡膠墊（HT/FD43-120-03）拆下。放置鋼絲繩和套筒彈簧組件（HT/FD43-122）到地面，將鋼絲繩壓裝件（HT/FD43-130）與提升機鋼絲繩連接螺母分離，收起提升機鋼絲繩至制動窗口。檢查制動機構時，要細致檢查各個零件是否存在磨損現象，尤其要注意制動盒部分，檢查其是否出現開焊問題，一旦發現開焊，必須立即進行鈑金焊接修復，確保其結構的完整性和安全性。同時，對于其他磨損嚴重或已破裂的零部件，應及時更換，以保障整個制動系統的可靠性和車輛的安全行駛。

固定葉尖至穩定的位置后，使用臺鉆或手電鉆在碳管的指定位置準確鉆孔，鉆孔時要保持鉆頭穩定，避免偏斜或損傷碳管。鉆孔完成后，取銷釘并在其表面涂抹適量結構膠，以增強粘合力和密封性。然后將涂有膠的銷釘穿入鉆孔中，使用錘頭輕敲使銷釘完全進入孔內，并確保銷釘與碳管緊密結合。最后用角磨機對突出的銷釘進行打磨，直至其表面與碳管表面平齊，以免產生不必要的阻力或損害。

連接鋼絲繩壓裝件（HT/FD43-130）與提升機鋼絲繩。提起鋼絲繩，利用大螺絲刀、鉗子等工具將制動彈簧（HT/FD43-120-02）、導向套（HT/FD43-120-01）和橡膠墊（HT23.5-120-03）裝配至制動座。

放下鋼絲繩壓裝件至地面，用連接銷Ⅰ（HT/FD43-000-04）和開口銷（GB/T914×36）連接雙耳與環眼螺釘（HT/FD43-210-04）。

操作提升機將葉尖升至葉片分切面處，將葉尖導向軸從分切面處插入主體內，通過橡膠墊凹口處觀察，當導向軸接觸到導向套時，將導向軸上的標記點與導向套的標記點對齊后旋入導向套內。安裝環眼螺釘（HT/FD43-210-04）時，一是將其旋入導向軸內，確保螺紋對接準確且無交叉螺紋現象。二是將定位卡環（HTFD43-210-06）正確放置在環眼螺釘與導向軸之間，以實現固定和定位作用。三是擰緊環眼螺釘，確保連接穩固，防止在運行中螺釘松動或脫落，保障裝置的安全可靠運行。

涂抹厭氧后擰緊螺絲，安裝制動盒蓋板和裝配蓋板。

葉尖安裝完畢后，將提升機鋼絲繩連接套從葉片鋼絲繩上擰下。將銷釘（HT/FD43-000-05）從液壓缸支架和提升機安裝孔中抽出，安全放置好提升機。

安裝時液壓缸放氣閥門靠近葉片后緣位置。將一端裝有開口銷（GB/T916.3×50）和墊圈（GB9520）的銷釘（HT/FD43-000-05）穿過液壓缸支架和液壓缸固定環，在連接銷另一端裝上墊圈（GB9520），然后固定好開口銷（GB/T916.3×50）（彎成蝴蝶須形），最后安裝葉根蓋板和輪轂蓋板。

將葉尖安裝就位后，葉尖功能性動作測試正常，葉尖防松脫技術改造完成。

3 結論

本文通過對葉片幾何參數進行優化，來降低葉片材料用量和提升風機效率。通過以上研究，得出以下結論。第一，在保證葉片強度和剛度的前提下，以氣動性能為優化目標時，葉片厚度最優取值為0.95mm。由于材料成本和制造成本較高，因此，建議使用不銹鋼材料替代鋁材料，以降低材料成本。第二，當風機轉速為2000r/min 時，葉片長度應在0.95～0.95m。由于葉片長度和厚度較大，因此可以減少材料用量和提高風機效率。第三，當風速大于6m/s 時，葉片最大彎矩和扭轉力矩均為負值。隨著風速的增加，葉片最大彎矩減小、扭轉力矩增大。因此，為了減少葉片材料用量和提高風機效率，建議使用高強度鋼材料替代鋁材料。第四，隨著風場風速的增加，風機功率輸出增大。因此，建議使用高強度鋼代替鋁材料進行葉片結構優化設計。第五，為了提高風機效率和降低制造成本，建議采用高強度鋼代替鋁材料進行葉片結構優化設計；同時根據風場風速的變化合理調整葉片幾何參數以提升風機效率。