水平軸風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述
日期：2016-08-24
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風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，其性能質(zhì)量直接影響整體機(jī)組的效率，設(shè)計(jì)合理的葉片是保證風(fēng)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，另一方面葉片制造的成本占到了風(fēng)機(jī)設(shè)備的20%—30%，因此提高葉片的性能降低葉片的制造成本，一直是風(fēng)電技術(shù)研究發(fā)展的重要課題。本文將從風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的角度，總結(jié)和評(píng)估風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展的歷程，探索葉片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，并分析今后發(fā)展的方向。
1風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)
風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括外形設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能計(jì)算，氣動(dòng)外形影響葉片把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率，氣動(dòng)性能是評(píng)價(jià)葉片外形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。
1.1氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論
風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。19世紀(jì)20年代一些著名氣動(dòng)學(xué)家Betz,Schmitz, Glauert, Wilson等在機(jī)翼理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了風(fēng)輪氣動(dòng)理論，包括動(dòng)量葉素理論和渦尾跡理論。
動(dòng)量葉素理論實(shí)際上是動(dòng)量理論和葉素理論的綜合，動(dòng)量理論設(shè)想風(fēng)輪處于理想的狀態(tài)下工作，假設(shè)風(fēng)輪沒有錐角，旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有摩擦力，不考慮渦流損失等，然后通過(guò)引入軸向誘導(dǎo)因子得出軸向力和功能系數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出理想狀態(tài)下大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，即著名的Bet z極限，該方法適合簡(jiǎn)單的外形設(shè)計(jì)；葉素理論將葉片沿展向分成若干個(gè)微段，稱為葉素，并且假設(shè)葉素之間相互獨(dú)立，通過(guò)各葉素的氣流不相互干擾，即將葉素看成二維翼型，通過(guò)沿展向的積分求得葉素上的力和力矩，從而求得功率，但葉素理論沒有考慮葉尖旋渦造成的功率損失。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失，設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確一些。Glauert先采用風(fēng)輪尾流的葉素理論對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)，建立了動(dòng)量葉素理論的雛形，初的設(shè)計(jì)忽略了葉片翼型阻力和葉尖損失的影響，后來(lái)發(fā)現(xiàn)它們對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能影響較大。為此Wilson研究了葉尖損失和升阻比對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響，對(duì)Glauert設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，形成了經(jīng)典的動(dòng)量葉素理論，之后動(dòng)量葉素理論一直被廣泛用于風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的計(jì)算，并不斷地被修正完善。
渦尾跡的理論認(rèn)為風(fēng)力機(jī)葉片上的誘導(dǎo)速度和升力是由尾流中的自由渦流產(chǎn)生的，可根據(jù)附著渦、尾渦和附著渦量變化引起的脫落渦來(lái)建立氣動(dòng)力計(jì)算模型。代表性的模型有Gohard提出的自由尾渦模型，KotU"的剛性尾渦模型，以及HumesTM的半剛性尾渦模型等！司。渦尾跡理論能體現(xiàn)風(fēng)輪渦尾跡結(jié)構(gòu)，適合用于風(fēng)力機(jī)復(fù)雜流場(chǎng)的模擬，并能給出葉片載荷的詳細(xì)分布。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD)在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬方面越來(lái)越受到重視。CFD方法是根據(jù)氣動(dòng)理論建立不同的計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，分析和顯示風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中流場(chǎng)發(fā)生的各種現(xiàn)象，預(yù)測(cè)葉片的氣動(dòng)性能。CFD方法由傳統(tǒng)的二維動(dòng)量葉素理論方法發(fā)展到現(xiàn)在的求解三維N- S方程的全湍流計(jì)算方法，文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外CFD方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述，指出目前還沒有一種模型能用于所有翼型的氣動(dòng)性能計(jì)算，而且翼型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失速的計(jì)算結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)還存在差距。
1.2氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)
氣動(dòng)翼型設(shè)計(jì)主要是氣動(dòng)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合適的翼型可以在特定的風(fēng)速分布下獲得大風(fēng)能，或者能夠限制失速風(fēng)力機(jī)大功率輸出！1。由于葉片翼型對(duì)葉片的氣動(dòng)性能和質(zhì)量有重要影響，因此是大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，翼型的進(jìn)步也是葉片技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧?br />
早期的水平軸風(fēng)機(jī)葉片普遍采用航空翼型，例如NACA44x x和NACA230 x x，因?yàn)樗鼈兙哂写笊ο禂?shù)高、槳距動(dòng)量低和小阻力系數(shù)低等特點(diǎn)，但是這些翼型對(duì)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，年輸出功率損失高達(dá)30% o隨著風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展，機(jī)組對(duì)葉片性能要求也不斷提高，傳統(tǒng)的航空翼型己經(jīng)不適合用于設(shè)計(jì)高性能的葉片，因此美國(guó)、瑞典和丹麥等開始著手開發(fā)專用的風(fēng)機(jī)翼型。例如美國(guó)Seri和NREL系列、丹麥RISo-A系列（丹麥的LM公司己開始在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用FFA- W系列翼型）、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優(yōu)勢(shì)，Seri系列對(duì)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并且對(duì)前緣粗糙度敏感性低;FFAw系列具有良好的后失速性能。大型風(fēng)機(jī)越來(lái)越多地采用專用翼型葉片一的設(shè)計(jì)方案，但是由于空氣動(dòng)力的復(fù)雜性，葉片一外形的精確設(shè)計(jì)非常困難，佳葉片翼型基本都是在梯形葉片的基礎(chǔ)上，考慮葉尖速比、雷諾數(shù)和升阻比的關(guān)系對(duì)葉片外形進(jìn)行優(yōu)，相關(guān)的設(shè)計(jì)方法仍需深入地研究，葉片翼型的改講還有很大的發(fā)展空間。
2風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以葉片的氣動(dòng)載荷分析為依據(jù)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是充分利用材料的性能，使大型葉片以小的質(zhì)量獲得大的掃風(fēng)面積，讓葉片具有更強(qiáng)的捕風(fēng)能力，同時(shí)還要求設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求和剛度要求，保證結(jié)構(gòu)的局部和整體穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)發(fā)生的
振動(dòng)小或不出現(xiàn)共振。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考的規(guī)范主要有JEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)GL標(biāo)準(zhǔn)。
2.1葉片的結(jié)構(gòu)形式目前上的大、中型風(fēng)力機(jī)的葉片，大多采用型鋼主梁、蒙皮外殼、夾層腹板、金屬預(yù)埋件連接葉根與輪毅的結(jié)構(gòu)形式，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有根部聯(lián)接設(shè)計(jì)、蒙皮和夾芯設(shè)計(jì)、主梁設(shè)計(jì)、預(yù)彎式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在葉根的聯(lián)接設(shè)計(jì)中，大中型風(fēng)電葉片一大多采用預(yù)埋金屬件或螺栓的根端聯(lián)接形式！。蒙皮外殼除滿足氣動(dòng)性能外，也承擔(dān)部分彎曲載荷和剪切荷載，蒙皮主要采用雙軸復(fù)合材料，葉根區(qū)域常采用強(qiáng)度高的翼形蒙皮結(jié)構(gòu)來(lái)承受彎曲和疲勞載荷；葉尖區(qū)域常采用薄的翼形結(jié)構(gòu)來(lái)滿足氣動(dòng)性能的要求，葉尖蒙皮外形通常有平頭和劍頭兩種形式，相對(duì)于劍頭葉尖，平頭葉尖的外形有很好的氣動(dòng)性能，但運(yùn)行噪聲大，所以在對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的地方，通常選用劍頭外形。主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)，常用的形式有D型,0型、矩形和雙拼槽鋼等，腹板為夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)主梁起到支撐作用。葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括葉片各截面蒙皮、主梁及腹板的鋪層設(shè)計(jì)，以及材料的方向和厚度的選擇。
2.2葉片結(jié)構(gòu)的分析風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于葉片一的葉根、前后緣、腹板和主梁都是采用復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)，采用理論方法計(jì)算精確的解析結(jié)果非常困難，目前風(fēng)機(jī)葉片一的結(jié)構(gòu)分析基本都是采用通用的商業(yè)有限元軟件，比如A NSYS, NAST RAN和ABAQUS等。不同的軟件在單元模型的選取上有一定的差異，目前常用的單元模型有殼單元、梁?jiǎn)卧蛯?shí)體單元，其中殼單元可以模擬葉片表面和夾芯結(jié)構(gòu)以及設(shè)置蒙皮與主梁的連接，節(jié)點(diǎn)編設(shè)靈活，實(shí)體單元按真實(shí)結(jié)構(gòu)建立3D單元o C. Kong采用了3D層合板復(fù)合材料殼單元和3D層合板夾芯三明治單元，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析、模杰分析、屈曲分析．所設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。有限元法可用于設(shè)計(jì)和模擬分析，但在模擬校核中應(yīng)用得更多，設(shè)計(jì)和校核須交叉進(jìn)行，使葉片滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3風(fēng)機(jī)葉片的材料
風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。隨著葉片技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展葉片的材料也不斷進(jìn)步，從初的木制葉片及布蒙皮葉片開始，經(jīng)歷了鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片、玻璃鋼葉片、玻璃鋼復(fù)合材料葉片，目前已經(jīng)采用高強(qiáng)輕質(zhì)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
3.1葉片材料的進(jìn)展玻璃鋼葉片和玻璃鋼復(fù)合材料葉片強(qiáng)度高、重量輕、耐老化，因此在大、中型風(fēng)力機(jī)葉片一中被廣泛采用。玻璃鋼葉片的性能還可以通過(guò)表面改性、上漿和涂覆加以改進(jìn)，例如采用射電頻率等離子體沉積去涂覆玻璃鋼葉片，其耐拉伸疲勞就可以達(dá)到碳纖維的水平，而且經(jīng)這種處理后可以降低纖維間的微振磨損。但是玻璃鋼葉片密度較大，隨著葉片長(zhǎng)度的增加也越來(lái)越重，例如當(dāng)葉片一長(zhǎng)度為19 m時(shí)質(zhì)量1.8t，長(zhǎng)度增加到34 m時(shí)重5. 8 t，如葉片達(dá)到52 m質(zhì)量高達(dá)21t o
隨著葉片長(zhǎng)度的增加，剛度是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，為了加強(qiáng)葉片剛度同時(shí)減輕葉片的重量，在大型和超大型風(fēng)力機(jī)葉片中的局部高應(yīng)力區(qū)域，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸被采用。丹麥L M公司開發(fā)的應(yīng)用于5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的61.5 m長(zhǎng)的大型風(fēng)機(jī)葉片，其重量為17.7 t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強(qiáng)材料。德g國(guó)NordexRotor公司開發(fā)的56米長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)葉片也采用了碳纖維，近美國(guó)和歐洲的研究分析指出，含有碳纖維之玻璃纖維層壓制品已經(jīng)成為兆瓦級(jí)風(fēng)葉片的很有發(fā)展前景的換代產(chǎn)品。Vestas公司在其3M W機(jī)型44 m的葉片主梁上也使用了碳纖維，使得葉片重量降至6t，與2M W機(jī)型使用的39 m葉片質(zhì)量相同；E.C，公司資助的研究計(jì)劃指出在直徑120 m葉片轉(zhuǎn)子中添加碳纖維能有效減少總體重量達(dá)38%，另外也使得設(shè)計(jì)成本減少14%。不過(guò)碳纖維復(fù)合材料的性能雖然很優(yōu)越，但價(jià)格昂貴（是玻璃鋼復(fù)合葉片的2-3倍），影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用。
3.2綠色環(huán)保葉片的研發(fā)玻璃鋼葉片的廢舊產(chǎn)品在退役后不易分解和燃燒，國(guó)內(nèi)外大多采用填埋的方式處理，這對(duì)土地和環(huán)境造成了較大的影響。近年來(lái)，科研學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開始積極探尋低成本、可回收利用的綠色環(huán)保葉片。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了分級(jí)杉木和分級(jí)竹青板制成的復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備，進(jìn)行了力學(xué)性能的試驗(yàn)，研究結(jié)果表明葉片一的力學(xué)性能均達(dá)到或超過(guò)目前國(guó)外風(fēng)電葉片在用的常規(guī)木利／環(huán)氧層積材的葉片，完全能夠替代目前大量使用的玻璃鋼葉片材料。愛爾蘭Gaoth公司與日本三菱重工和與美國(guó)Cyclics公司簽署合作協(xié)議研究熱塑性復(fù)合環(huán)保葉片，愛爾蘭Limerick大學(xué)和國(guó)立Galway大學(xué)開展了熱塑性復(fù)合材料先進(jìn)成型工藝技術(shù)的基礎(chǔ)研究，美國(guó)Cyclic、公司利用其開發(fā)的低粘度熱塑性CBT樹脂材料制作了個(gè)12.6 m可循環(huán)風(fēng)力機(jī)葉片，該葉片退役后可再回收利用。目前一些復(fù)合材料公司正在對(duì)材料、工藝和質(zhì)量控制等展開研究，以求開發(fā)成本較低的綠色葉片。
4 展望
隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在范圍內(nèi)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在葉片外形的改進(jìn)和新材料的應(yīng)用方面。葉片外形已經(jīng)比較穩(wěn)定，但在細(xì)部仍存在改進(jìn)空間，尤其是在大尺寸葉片方面，CFD方法的發(fā)展將使得科研人員對(duì)葉片翼型進(jìn)行更加精確地計(jì)算和設(shè)計(jì)；隨著葉片向大型化方向發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維材料將逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍，但能否大規(guī)模應(yīng)用還取決于新材料的價(jià)格，因此降低熱塑性、竹質(zhì)綠色環(huán)保葉片一的成本也是葉片材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更加高效、更低成本和可靠度高的風(fēng)電葉片仍需利研人員的進(jìn)一步探索。
目前，我國(guó)風(fēng)電葉片技術(shù)還比較后，國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)以上葉片的制造大多引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)。因此加強(qiáng)風(fēng)電人才培養(yǎng)，增加技術(shù)開發(fā)投入，掌握葉片設(shè)計(jì)方法，研制出我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的葉片是我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
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