大型風機葉片的設計改進
1前言
20世紀80年代，石油、天然氣等化石資源大量消耗。化石能源的使用導致了嚴重的環境問題，大氣和水資源遭受嚴重污染。酸雨問題、溫室效應和臭氧層破壞嚴重威脅著人類社會的可持續發展。
風能是綠色環保的可再生清潔能源，取之不盡，用之不竭。各國的開發的重點是用風力發電機將風能轉換成電能。這種能量轉換沒有給大氣造成任何污染。用風力發電，可減少化石能源的消耗，每生產1kW?h風電能就少排放約600g二氧化碳，對保護環境和生態平衡，改善能源結構具有重要意義。目前風電已經成為上增長快的新能源，在各國能源總量中所占的比例正在提高。1990~2007年風電成本降低了50%，與傳統能源成本相差不大。在過去的10年里，風電裝機總量以每年超過28%的速度增長，而且這種趨勢還會持續下去。2006年，裝機近15000MW，市值約為230億美元。2006年底，風電總裝機容量超過74000MW，足以供應2500萬普通歐洲家庭用戶電力需求。據國際能源署公布的資料，到2020年，全風電容量將達到12.6億kW，是2002年風電裝機容量的38.4倍，總投資約需6300億美元。目前歐洲在風電技術和應用上處于地位，占全風電裝機容量的74%。
葉片是風力發電機組有效捕捉風能的關鍵部件，其成本約占總成本的1/3。在發電機功率一定的條件下，如何提高發電效率，捕獲更大的風能，一直是風力發電追求的目標，而捕捉風能力的提高與葉片的外形、長度和面積有著密切的關系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。單個葉片重量與風輪半徑R近似成3次方關系。200kW葉片單片重量約800kg,600kW葉片單片重量約2t，1 MW玻璃纖維不能滿足要求。故現在的大型葉片在主要受力部件，尤其是在翼梁加人碳纖維作為增強材料來保證葉片能夠安全地承擔風、冰雪、溫度等外界載荷。這樣，不僅可以提高葉片的力學性能，也由于碳纖維具有導電性，可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。[-page-]
2氣動性能設計改進
風輪氣動設計包括：確定風輪直徑、葉片數、葉片各剖面弦長、厚度、扭角分布及選取剖面翼型。風輪運行環境復雜，經過風輪的氣流變化多端，沒有精確模型進行模擬。而風輪氣動性能的計算除了與葉片本身的氣動外形有關系外，還和周圍的氣流形式有很大關系，沒有精確的氣流理論模型，風輪氣動性能的計算只能是近似的，是從機翼氣動理論基礎上發展而來，出現了兩種計算理論：一種是葉素動量理論，另一種是渦流理論。
葉素動量理論實際上是綜合了動量理論和葉素理論。BetZ采用一元定常流動的動量定理，研究理論狀態下風輪的大風能利用系數，將風輪看作一個純粹有能量轉換器。理論假定風輪是理想的：①
流經風輪的氣流為不可壓縮均勻定常流；②不考慮摩擦力；③風輪簡化為一個圓盤，④整個圓盤面受均勻軸向力；⑤風輪前后氣流滿足質量連續性方程。作用在風輪上推力均勻，應用動量方程，推導出風能大利用系數為0.593左右，這就是著名的Betz極限。
葉素理論把葉片沿翼展方向分成許多“微段”，即為葉素。葉素理論假定，所有葉素都是獨立的，葉素之間不存在相互作用，通過各葉素的氣流也不相互干擾。動量理論在風輪掃掠面內半徑r處取一個圓環微元體來進行分析。Wilson氣動優化設計理論是目前常用的方法之一。該理論對以前的設計方法進行了改進，研究了葉尖損失和升阻比對葉片性能的影響以及風輪在非設計狀態下的氣動性能。為使風輪風能利用系數Cp值大，須使每個葉素的dCp與氣動參數的關系式，從而得到佳氣動參數和氣動外形。由理論計算得到的弦寬和扭角分布在葉根處較大。考慮到葉根處剖面對風輪輸出功率貢獻不大，故可適當減小此處剖面弦寬和扭角，以降低葉片重量和成型難度。如得到氣動外形，就可應用氣動性能計算得到風輪氣動性能，包括各種風速下及不同安裝角的輸出功率、軸向推力、轉矩和相對應風能利用系數、推力系數、轉矩系數，同時可得到氣動荷載分布。[-page-]
葉素動量理論，有很大的缺陷：①計算結果的精確性過于依賴葉片翼型可靠的測試數據，而這些數據是那些長期從事葉片和風機制造的制造商，從實踐當中獲取經驗積累獲得的。如涉及到新翼型，必須慎用葉素動量理論；②大局限在于葉素動量理論只適合于穩態計算，實際中風是非穩態，風機不可能總處于穩態之中。湍流、風剪切和塔影將會對風風輪氣動性能造成影響。非穩態的風況導致氣流功角、載荷以及渦流的持續變化，這些都給葉素動量理論運用帶來困難。對于①的不足目前無較大的改善，只能提高翼型的測量精度積累經驗；對②中的不足，可將整體時間域分成若干小段時間域，在每個小段時間域將風況假定為穩態狀態，然后將葉素動量理論在各小段時間域進行跳躍式的計算，同時建立各小段時間域之間的關系式，依次來模擬風機的非穩態狀態。葉素動量理論簡單易懂，更容易被人們所接受，同時經過大量的修正后，理論計算結果與實際誤差在可接受范圍之內，比較適合于工程應用。
另一種計算風輪氣動性能的理論就是渦流理論。渦流理論認為對于有限長的葉片，風輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個主要渦區：一個在輪轂附近，一個在葉尖。當風輪旋轉時，通過每個葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，因此，每個葉片的尾跡渦形成一螺旋形。在輪轂附近也存在同樣的情況，每個葉片都對輪轂渦流的形成產生一定的作用。在渦流理論中，風輪葉片上的誘導速度和升力是由風輪尾流中的自由尾流渦誘導產生的，分別用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理論求得。用該理論計算風輪氣動性能的關鍵在于如何合理模擬風輪后面的尾渦幾何結構，而在葉素動量里一般用修正的辦法進行彌補。因此，渦流理論研究的重點就在于如何建立尾流模型。一般現在有剛性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三種主要模型，一些文獻的研究表明渦流理論計算結果更符合實際。但是渦流理論涉及到流體理論，計算復雜得多。這是改進風輪氣動性能理論計算的一個方向。
3結構設計改進
在復合材料葉片結構設計方面，要的是熟悉葉片構造設計。葉根連接形式與葉片剖面形式是構造設計的重點。[-page-]
葉片與輪箍連接，使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪箍上，因此葉根的載荷大。葉片上的載荷通過根端結構的剪切強度、擠壓強度、或玻璃鋼與金屬的膠結強度傳遞到輪箍上的，而玻璃鋼的這些強度均低于其拉彎強度，因而葉片的根端是危險的部位，設計時應予以重視。大型風力機玻璃鋼葉片根端形式主要有：金屬法蘭、預埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。目前國內自主開發的大型風力機葉片大多采用預埋金屬桿根端形式。為確保根端結構的安全可靠，須進行金屬桿與玻璃鋼殼體結合強度的模擬試驗。如果膠結工藝技術高，可采用金屬法蘭與葉根復合材料柱殼膠結，減輕根部的重量，使葉片外形流暢。
葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁剖面有箱型形式或雙槽鋼形式，或D形。在后緣空腹處，采用夾層結構。葉片上大部分彎曲荷載由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用承擔部分剪切載荷。這種剖面構造，既可以減輕葉片重量，又能提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩。葉片蒙皮通常采用氈或雙向織物增強的層板結構，也有用夾層結構，以提高蒙皮的強度和剛度。主梁用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度。夾芯材料可采用PVC泡沫或輕木。這些芯材有較高的剪切模量，組成的夾層結構有良好的剛度特性。傳統葉片的纖維全為玻璃纖維，由于現在的葉片越來越大，越來越重，為減輕葉片重量，提高強度與剛度，其中一種改進措施是主梁部分或全部用碳纖維，蒙皮用玻璃纖維。這樣可使結構重量有明顯的下降。據國外專家分析指出，對于兆瓦級大型風力機葉片，采用碳／?；祀s纖維增強，可以降低葉片重量30％，減少葉尖撓度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纖維價格高，產量低，如果碳纖維能形成較大規模的生產，降低價格，碳纖維必將在兆瓦級大型風力機葉片生產中得到廣泛應用。
葉片是風機的主要部件之一，要獲得高效率的葉片，除了設計出優良的葉片外形之外，葉片性能的提高還可以通過氣彈剪裁來改進。彈性剪裁可以通過兩種途徑來實現，種是將鋪層輸入，比如鋪層材料，鋪層方向作為設計參數。第二種方法是將葉片截面剛度彎扭耦合作為設計參數；種方法顯然過于復雜，因為葉片鋪層多的達到上百層，第二種方法在風機葉片設計中得到廣泛應用。[-page-] 彎扭耦合是工程中常見的一種變形現象，即結構在發生彎曲的同時還伴隨著扭轉的產生。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。而在葉片結構上，也引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是前面所說的氣彈剪裁。通過彎扭耦合設計，降低了葉片疲勞載荷，并能優化功率輸出。葉片的優化設計是一個不斷改進的過程。其設計的優化目標從開始的葉素功率輸出大化，到年輸出功率大化，到現在的性價比優化?，F在出現了葉片采用“柔性”理念設計，葉片結構剛度有所降低，在外形上與傳統葉片后緣線性變化不同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風壓和風機的驅動扭矩，并大限度捕獲所有可用風速段的風能，比傳統葉片捕捉風能力提高了5~10%。
4結束語
以上介紹了一些大型風機葉片的改進方法，這些改進都是圍繞風能大利用率及其成本小化來進行，以達到性價比高。在氣動性能方面，主要用Wilson優化理論計算氣動外形，用短時的穩定狀態模擬風機的非穩定狀態；在結構設計方面，主要是降低葉片重量，提高葉片剛度和強度，用碳/玻璃混雜代替全玻璃纖維和氣彈剪裁來提高葉片性能。目前有效改進葉片設計的方法是使用碳纖維。對于來說，開發出適合本國的專用葉型也同樣重要。
20世紀80年代，石油、天然氣等化石資源大量消耗。化石能源的使用導致了嚴重的環境問題，大氣和水資源遭受嚴重污染。酸雨問題、溫室效應和臭氧層破壞嚴重威脅著人類社會的可持續發展。
風能是綠色環保的可再生清潔能源，取之不盡，用之不竭。各國的開發的重點是用風力發電機將風能轉換成電能。這種能量轉換沒有給大氣造成任何污染。用風力發電，可減少化石能源的消耗，每生產1kW?h風電能就少排放約600g二氧化碳，對保護環境和生態平衡，改善能源結構具有重要意義。目前風電已經成為上增長快的新能源，在各國能源總量中所占的比例正在提高。1990~2007年風電成本降低了50%，與傳統能源成本相差不大。在過去的10年里，風電裝機總量以每年超過28%的速度增長，而且這種趨勢還會持續下去。2006年，裝機近15000MW，市值約為230億美元。2006年底，風電總裝機容量超過74000MW，足以供應2500萬普通歐洲家庭用戶電力需求。據國際能源署公布的資料，到2020年，全風電容量將達到12.6億kW，是2002年風電裝機容量的38.4倍，總投資約需6300億美元。目前歐洲在風電技術和應用上處于地位，占全風電裝機容量的74%。
葉片是風力發電機組有效捕捉風能的關鍵部件，其成本約占總成本的1/3。在發電機功率一定的條件下，如何提高發電效率，捕獲更大的風能，一直是風力發電追求的目標，而捕捉風能力的提高與葉片的外形、長度和面積有著密切的關系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。單個葉片重量與風輪半徑R近似成3次方關系。200kW葉片單片重量約800kg,600kW葉片單片重量約2t，1 MW玻璃纖維不能滿足要求。故現在的大型葉片在主要受力部件，尤其是在翼梁加人碳纖維作為增強材料來保證葉片能夠安全地承擔風、冰雪、溫度等外界載荷。這樣，不僅可以提高葉片的力學性能，也由于碳纖維具有導電性，可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。[-page-]
2氣動性能設計改進
風輪氣動設計包括：確定風輪直徑、葉片數、葉片各剖面弦長、厚度、扭角分布及選取剖面翼型。風輪運行環境復雜，經過風輪的氣流變化多端，沒有精確模型進行模擬。而風輪氣動性能的計算除了與葉片本身的氣動外形有關系外，還和周圍的氣流形式有很大關系，沒有精確的氣流理論模型，風輪氣動性能的計算只能是近似的，是從機翼氣動理論基礎上發展而來，出現了兩種計算理論：一種是葉素動量理論，另一種是渦流理論。
葉素動量理論實際上是綜合了動量理論和葉素理論。BetZ采用一元定常流動的動量定理，研究理論狀態下風輪的大風能利用系數，將風輪看作一個純粹有能量轉換器。理論假定風輪是理想的：①
流經風輪的氣流為不可壓縮均勻定常流；②不考慮摩擦力；③風輪簡化為一個圓盤，④整個圓盤面受均勻軸向力；⑤風輪前后氣流滿足質量連續性方程。作用在風輪上推力均勻，應用動量方程，推導出風能大利用系數為0.593左右，這就是著名的Betz極限。
葉素理論把葉片沿翼展方向分成許多“微段”，即為葉素。葉素理論假定，所有葉素都是獨立的，葉素之間不存在相互作用，通過各葉素的氣流也不相互干擾。動量理論在風輪掃掠面內半徑r處取一個圓環微元體來進行分析。Wilson氣動優化設計理論是目前常用的方法之一。該理論對以前的設計方法進行了改進，研究了葉尖損失和升阻比對葉片性能的影響以及風輪在非設計狀態下的氣動性能。為使風輪風能利用系數Cp值大，須使每個葉素的dCp與氣動參數的關系式，從而得到佳氣動參數和氣動外形。由理論計算得到的弦寬和扭角分布在葉根處較大。考慮到葉根處剖面對風輪輸出功率貢獻不大，故可適當減小此處剖面弦寬和扭角，以降低葉片重量和成型難度。如得到氣動外形，就可應用氣動性能計算得到風輪氣動性能，包括各種風速下及不同安裝角的輸出功率、軸向推力、轉矩和相對應風能利用系數、推力系數、轉矩系數，同時可得到氣動荷載分布。[-page-]
葉素動量理論，有很大的缺陷：①計算結果的精確性過于依賴葉片翼型可靠的測試數據，而這些數據是那些長期從事葉片和風機制造的制造商，從實踐當中獲取經驗積累獲得的。如涉及到新翼型，必須慎用葉素動量理論；②大局限在于葉素動量理論只適合于穩態計算，實際中風是非穩態，風機不可能總處于穩態之中。湍流、風剪切和塔影將會對風風輪氣動性能造成影響。非穩態的風況導致氣流功角、載荷以及渦流的持續變化，這些都給葉素動量理論運用帶來困難。對于①的不足目前無較大的改善，只能提高翼型的測量精度積累經驗；對②中的不足，可將整體時間域分成若干小段時間域，在每個小段時間域將風況假定為穩態狀態，然后將葉素動量理論在各小段時間域進行跳躍式的計算，同時建立各小段時間域之間的關系式，依次來模擬風機的非穩態狀態。葉素動量理論簡單易懂，更容易被人們所接受，同時經過大量的修正后，理論計算結果與實際誤差在可接受范圍之內，比較適合于工程應用。
另一種計算風輪氣動性能的理論就是渦流理論。渦流理論認為對于有限長的葉片，風輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個主要渦區：一個在輪轂附近，一個在葉尖。當風輪旋轉時，通過每個葉片尖部的氣流的跡線為一螺旋線，因此，每個葉片的尾跡渦形成一螺旋形。在輪轂附近也存在同樣的情況，每個葉片都對輪轂渦流的形成產生一定的作用。在渦流理論中，風輪葉片上的誘導速度和升力是由風輪尾流中的自由尾流渦誘導產生的，分別用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理論求得。用該理論計算風輪氣動性能的關鍵在于如何合理模擬風輪后面的尾渦幾何結構，而在葉素動量里一般用修正的辦法進行彌補。因此，渦流理論研究的重點就在于如何建立尾流模型。一般現在有剛性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三種主要模型，一些文獻的研究表明渦流理論計算結果更符合實際。但是渦流理論涉及到流體理論，計算復雜得多。這是改進風輪氣動性能理論計算的一個方向。
3結構設計改進
在復合材料葉片結構設計方面，要的是熟悉葉片構造設計。葉根連接形式與葉片剖面形式是構造設計的重點。[-page-]
葉片與輪箍連接，使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪箍上，因此葉根的載荷大。葉片上的載荷通過根端結構的剪切強度、擠壓強度、或玻璃鋼與金屬的膠結強度傳遞到輪箍上的，而玻璃鋼的這些強度均低于其拉彎強度，因而葉片的根端是危險的部位，設計時應予以重視。大型風力機玻璃鋼葉片根端形式主要有：金屬法蘭、預埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。目前國內自主開發的大型風力機葉片大多采用預埋金屬桿根端形式。為確保根端結構的安全可靠，須進行金屬桿與玻璃鋼殼體結合強度的模擬試驗。如果膠結工藝技術高，可采用金屬法蘭與葉根復合材料柱殼膠結，減輕根部的重量，使葉片外形流暢。
葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁剖面有箱型形式或雙槽鋼形式，或D形。在后緣空腹處，采用夾層結構。葉片上大部分彎曲荷載由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用承擔部分剪切載荷。這種剖面構造，既可以減輕葉片重量，又能提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩。葉片蒙皮通常采用氈或雙向織物增強的層板結構，也有用夾層結構，以提高蒙皮的強度和剛度。主梁用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度。夾芯材料可采用PVC泡沫或輕木。這些芯材有較高的剪切模量，組成的夾層結構有良好的剛度特性。傳統葉片的纖維全為玻璃纖維，由于現在的葉片越來越大，越來越重，為減輕葉片重量，提高強度與剛度，其中一種改進措施是主梁部分或全部用碳纖維，蒙皮用玻璃纖維。這樣可使結構重量有明顯的下降。據國外專家分析指出，對于兆瓦級大型風力機葉片，采用碳／?；祀s纖維增強，可以降低葉片重量30％，減少葉尖撓度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纖維價格高，產量低，如果碳纖維能形成較大規模的生產，降低價格，碳纖維必將在兆瓦級大型風力機葉片生產中得到廣泛應用。
葉片是風機的主要部件之一，要獲得高效率的葉片，除了設計出優良的葉片外形之外，葉片性能的提高還可以通過氣彈剪裁來改進。彈性剪裁可以通過兩種途徑來實現，種是將鋪層輸入，比如鋪層材料，鋪層方向作為設計參數。第二種方法是將葉片截面剛度彎扭耦合作為設計參數；種方法顯然過于復雜，因為葉片鋪層多的達到上百層，第二種方法在風機葉片設計中得到廣泛應用。[-page-] 彎扭耦合是工程中常見的一種變形現象，即結構在發生彎曲的同時還伴隨著扭轉的產生。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。而在葉片結構上，也引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是前面所說的氣彈剪裁。通過彎扭耦合設計，降低了葉片疲勞載荷，并能優化功率輸出。葉片的優化設計是一個不斷改進的過程。其設計的優化目標從開始的葉素功率輸出大化，到年輸出功率大化，到現在的性價比優化?，F在出現了葉片采用“柔性”理念設計，葉片結構剛度有所降低，在外形上與傳統葉片后緣線性變化不同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風壓和風機的驅動扭矩，并大限度捕獲所有可用風速段的風能，比傳統葉片捕捉風能力提高了5~10%。
4結束語
以上介紹了一些大型風機葉片的改進方法，這些改進都是圍繞風能大利用率及其成本小化來進行，以達到性價比高。在氣動性能方面，主要用Wilson優化理論計算氣動外形，用短時的穩定狀態模擬風機的非穩定狀態；在結構設計方面，主要是降低葉片重量，提高葉片剛度和強度，用碳/玻璃混雜代替全玻璃纖維和氣彈剪裁來提高葉片性能。目前有效改進葉片設計的方法是使用碳纖維。對于來說，開發出適合本國的專用葉型也同樣重要。
