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風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)可分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)大的階段，其中氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求滿足前兩條目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿足后四條目標(biāo)。通常這兩個(gè)階段不是獨(dú)立進(jìn)行的，而是一個(gè)迭代的過程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。
1外形設(shè)計(jì)
葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是葉片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中葉片翼型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，流動(dòng)的雷諾數(shù)比較低，葉片通常在低速、高升力系數(shù)狀態(tài)下運(yùn)行，葉片之間流動(dòng)干擾造成流動(dòng)非常復(fù)雜。針對葉片外形的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構(gòu)成，葉片葉型的設(shè)計(jì)變得非常重要。
目前葉片葉型的設(shè)計(jì)技術(shù)通常采用航空上先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)翼翼型設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片葉型的形狀。先進(jìn)的CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同類型氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)，對于低雷諾數(shù)、高升力系數(shù)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件，采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場是非常必要的。
在過去的10多年中，水平軸風(fēng)電葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASALS(1)等。這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會(huì)導(dǎo)致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達(dá)30%。在認(rèn)識到航空翼型不太適合于風(fēng)電葉片后，80年代中期后，風(fēng)電發(fā)達(dá)國家開始對葉片專用翼型進(jìn)行研究，并成功開發(fā)出風(fēng)電葉片專用翼型系列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。
這些翼型各有優(yōu)勢，Seri系列對翼型表面粗糙度敏感性低;RISO-A系列在接近失速時(shí)具有良好的失速性能且對前緣粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風(fēng)機(jī)專用翼型將會(huì)在風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。表1為對NREL翼型系列性能提高的估算。
表1NREL翼型系列性能提高的估算
目前葉片外形的設(shè)計(jì)理論有好幾種，都是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第一種外形設(shè)計(jì)理論是按照貝茨理論得到的簡化設(shè)計(jì)方法，該方法是假設(shè)風(fēng)力機(jī)是按照貝茨公式的最佳條件運(yùn)行的，完全沒有考慮渦流損失等，設(shè)計(jì)出來的風(fēng)輪效率不超過40%。
后來一些著名的氣動(dòng)學(xué)家相繼建立了各自的葉片氣動(dòng)理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失，設(shè)計(jì)結(jié)果相對準(zhǔn)確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流流動(dòng)，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響，對葉片外形影響較小,對風(fēng)輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能，是目前最常用的設(shè)計(jì)理論。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構(gòu)造形式。蒙皮主要由雙軸復(fù)合材料層增強(qiáng)，提供氣動(dòng)外形并承擔(dān)大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結(jié)構(gòu)，提高其抗失穩(wěn)能力，這與夾芯結(jié)構(gòu)大量在汽車上應(yīng)用類似。主梁主要為單向復(fù)合材料層增強(qiáng)，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)。腹板為夾芯結(jié)構(gòu)，對主梁起到支撐作用。
圖1典型葉片剖面構(gòu)造形式
結(jié)構(gòu)鋪層校核對葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業(yè)有限元軟件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對葉片進(jìn)行校核時(shí)，考慮單層的極限強(qiáng)度、自振頻率和葉尖撓度，分析模型有殼模型和梁模型等，并且能夠做到這兩種模型的相互轉(zhuǎn)換，如圖2，3所示。與其他葉片結(jié)構(gòu)相比，目前大型葉片的中空夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的抗屈曲失穩(wěn)能力，較高的自振頻率，這樣設(shè)計(jì)出來的葉片相對較輕。
圖2全葉片殼模型
圖3全葉片梁模型
有限元法可用于設(shè)計(jì)，但更多用于模擬分析而不是設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與模擬必須交叉進(jìn)行，在每一步設(shè)計(jì)完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，再返回設(shè)計(jì)，更改鋪層方案，再分析應(yīng)力和變形等，直到滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止，如圖4所示。因?yàn)閺?fù)合材料正交各向異性的特殊性，葉片各鋪層內(nèi)的應(yīng)力并不連續(xù)，而應(yīng)變則相對連續(xù)，所以葉片結(jié)構(gòu)校核的失效準(zhǔn)則有時(shí)候完全采用應(yīng)變失效準(zhǔn)則。
圖4鋪層設(shè)計(jì)與校核簡要流程
3材料選擇
風(fēng)電葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。
復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設(shè)計(jì)性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強(qiáng)度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個(gè)讓設(shè)計(jì)人員頭疼的難題，設(shè)計(jì)工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應(yīng)，提高機(jī)翼的性能。在葉片上，引人彎扭耦合設(shè)計(jì)概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出。
玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)是現(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片最普遍采用的復(fù)合材料，玻璃鋼以其低廉的價(jià)格，優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風(fēng)機(jī)葉片材料的統(tǒng)治地位。但隨著葉片逐漸變大，風(fēng)輪直徑已突破120m，最長的葉片已做到61.5m，葉片自重達(dá)18t。這對材料的強(qiáng)度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強(qiáng)纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域，如NEGMiconNM82.40m長葉片，LM61.5m長葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。由于葉片增大，剛度逐漸變得重要，已成為新一代MW級葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
碳纖維的使用使風(fēng)電葉片剛度得到很大提高，自重卻沒有增加。Vestas為V903.OMW機(jī)型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有6t，與V802MW，39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報(bào)告指出，含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW級葉片是一個(gè)非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計(jì)劃[10]中指出，直徑為120m風(fēng)輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達(dá)38%，設(shè)計(jì)成本減少14%。但碳纖維價(jià)格昂貴，極大地限制其在風(fēng)機(jī)葉片上的使用。
現(xiàn)今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應(yīng)用材料為主。但許多研究員卻大膽預(yù)言碳纖維的應(yīng)用將會(huì)逐步增加。風(fēng)能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式，未來若要大量取代玻璃纖維，必需低價(jià)才具有競爭力。