风电叶片设计和制作中的技术问题

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叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段，其中气动设计要求满足前两条目标，结构设计要求满足后四条目标。通常这两个阶段不是独立进行的，而是一个迭代的过程，叶片厚度必须足够以保证能够容纳腹板，提高叶片刚度。
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   风电叶片的优化设计要满足一定的设计目标，其中有些甚至是相互矛盾的，如：
# r( W  H- \# G0 s& m    年输出功率最大化；
2 q2 ?  I7 \0 P- n% L    最大功率限制输出；
' Y, Q! ^/ o( a! R1 g7 I+ _. g$ x- W    振动最小化和避免出现共振；
/ _; A0 O+ y$ |' t/ \    材料消耗最小化；
( m7 I/ L1 ]. ^7 r+ O    保证叶片结构局部和整体稳定性；
     叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。
    风电叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段，其中气动设计要求满足前两条目标，结构设计要求满足后四条目标。通常这两个阶段不是独立进行的，而是一个迭代的过程，叶片厚度必须足够以保证能够容纳腹板，提高叶片刚度。
8 v" D2 Q0 A8 p; ]! |( [& k    (1)外形设计
9 ?' f5 A; a6 e* @& q9 o9 A8 P    叶片气动设计主要是外形优化设计，这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风机的发电效率，在风机运转条件下，流动的雷诺数比较低，叶片通常在低速、高升力系数状态下运行，叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成，叶片叶型的设计变得非常重要。目前叶片叶型的设计技术通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法设计叶片叶型的形状。先进的CFD技术已广泛应用于不同类型气动外形的设计，对于低雷诺数、高升力系数状态下风机运行条件，采用考虑粘性的N-S控制方程分析叶片叶型的流场是非常必要的。
    在过去的10多年中，水平轴风电叶片翼型通常选择NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。这些翼型对前缘粗糙度非常敏感，一旦前缘由于污染变得粗糙，会导致翼型性能大幅度下降，年输出功率损失最高达30%。在认识到航空翼型不太适合于风电叶片后，80年代中期后，风电发达国家开始对叶片专用翼型进行研究，并成功开发出风电叶片专用翼型系列，比如美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。
    这些翼型各有优势，Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低；FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA-W翼型，风机专用翼型将会在风电叶片设计中广泛应用。表1为对NREL翼型系列性能提高的估算。

4 r1 s# O. T' _5 x. I( P风电叶片设计和制作中的技术问题
9 E6 w9 B' j; F- e0 L    目前叶片外形的设计理论有好几种，都是在机翼气动理论基础上发展起来的。第一种外形设计理论是按照贝茨理论得到的简化设计方法，该方法是假设风力机是按照贝茨公式的最佳条件运行的，完全没有考虑涡流损失等,设计出来的风轮效率不超过40%。后来一些著名的气动学家相继建立了各自的叶片气动理论。Schmitz理论考虑了叶片周向涡流损失,设计结果相对准确一些。Glauert理论考虑了风轮后涡流流动，但忽略了叶片翼型阻力和叶稍损失的影响,对叶片外形影响较小,对风轮效率影响却较大。Wilson在Glauert理论基础上作了改进，研究了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并且研究了风轮在非设计工况下的性能，是目前最常用的设计理论。
) r/ U  p7 u8 n2 K  ~' }4 r8 S; [    (2)结构设计
$ r8 O4 B8 h3 x* c: z! C/ G! [    目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁形式，如图1所示为典型的叶片构造形式。蒙皮主要由双轴复合材料层增强，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构，提高其抗失稳能力，这与夹芯结构大量在汽车上应用类似。主梁主要为单向复合材料层增强，是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。

! R# ?# ~0 D4 R典型叶片剖面构造形式
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风电叶片设计和制作中的技术问题
    结构铺层校核对叶片结构设计来说也必不可少。前在校核方面，大多用通用商业有限元软件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。对叶片进行校核时，考虑单层的极限强度、自振频率和叶尖挠度，分析模型有壳模型和梁模型等，并且能够做到这两种模型的相互转换，如图2,3所示。与其他叶片结构相比，目前大型叶片的中空夹芯结构具有很高的抗屈曲失稳能力，较高的自振频率，这样设计出来的叶片相对较轻。有限元法可用于设计，但更多用于模拟分析而不是设计，设计与模拟必须交叉进行，在每一步设计完成后，必须更新分析模型，重新得到铺层中的应力和应变数据，再返回设计，更改铺层方案，再分析应力和变形等，直到满足设计标准为止，如图4所示。因为复合材料正交各向异性的特殊性，叶片各铺层内的应力并不连续，而应变则相对连续，所以叶片结构校核的失效准则有时候完全采用应变失效准则。
    （3）材料选择
6 Q1 N  ]+ k0 |% C/ l# r: s    风电叶片发展初期，由于叶片较小，有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等，随着叶片向大型化方向发展，复合材料逐渐取代其他材料几乎成为大型叶片的唯一可选材料。复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势之一就是其可设计性，通过调整单层的方向，可以获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性，使结构不同变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合，使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在过去，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计工程想方设法消除耦合现象。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。在叶片上，引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁，降低叶片的疲劳载荷，并优化功率输出。
    玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)是现代风机叶片最普遍采用的复合材料，玻璃钢以其低廉的价格，优良的性能占据着大型风机叶片材料的统治地位。但随着叶片逐渐变大，风轮直径已突破120m，最长的叶片已做到61.5m，叶片自重达18t。这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片局部区域，如NEG Micon NM 82.40m长叶片，LM61.5m长叶片都在高应力区使用了碳纤维。由于叶片增大，刚度逐渐变得重要，已成为新一代MW级叶片设计的关键。
    碳纤维的使用使风电叶片刚度得到很大提高，自重却没有增加。Vestas为V903.OMW机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维，叶片自重只有6t，与V802MW,39m叶片自重一样。美国和欧洲的研究报告指出，含有碳纤维的承载玻璃纤维层压板对于MW级叶片是一个非常有效的选择替代品。在E.C.公司资助的研究计划[10]中指出，直径为120m风轮叶片部分使用碳纤维可有效减少总体自重达38%，设计成本减少14%。但碳纤维价格昂贵，极大地限制其在风机叶片上的使用。
    现今碳纤维产业仍以发展轻质、良好结构和热性质佳等附加值大的航空应用材料为主。但许多研究员却大胆预言碳纤维的应用将会逐步增加。风能的成本效益将取决于碳纤维的使用方式，未来若要大量取代玻璃纤维，必需低价才具有竞争力。