水平軸風機葉片技術發展概述

　　風機葉片作為風電機組的核心部件之一，其性能質量直接影響整體機組的效率，設計合理的葉片是保證風電機組正常穩定運行的重要因素，另一方面葉片制造的成本占到了風機設備的20%—30%，因此提高葉片的性能降低葉片的制造成本，一直是風電技術研究發展的重要課題。本文將從風機葉片的氣動設計、結構設計和材料的角度，總結和評估風機葉片技術發展的歷程，探索葉片技術發展的關鍵，并分析今后發展的方向。
　　1風機葉片的氣動設計
　　風機葉片的氣動設計包括外形設計及氣動性能計算，氣動外形影響葉片把風能轉化為機械能的效率，氣動性能是評價葉片外形設計的關鍵指標。
　　1.1氣動設計理論
　　風力機氣動理論是在機翼氣動理論基礎上發展而來的。19世紀20年代一些著名氣動學家Betz,Schmitz, Glauert, Wilson等在機翼理論的基礎上發展了風輪氣動理論，包括動量葉素理論和渦尾跡理論。
　　動量葉素理論實際上是動量理論和葉素理論的綜合，動量理論設想風輪處于理想的狀態下工作，假設風輪沒有錐角，旋轉時沒有摩擦力，不考慮渦流損失等，然后通過引入軸向誘導因子得出軸向力和功能系數表達式，計算出理想狀態下大風能利用系數為0.593，即著名的Bet z極限，該方法適合簡單的外形設計；葉素理論將葉片沿展向分成若干個微段，稱為葉素，并且假設葉素之間相互獨立，通過各葉素的氣流不相互干擾，即將葉素看成二維翼型，通過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，設計結果相對準確一些。Glauert先采用風輪尾流的葉素理論對葉片外形設計，建立了動量葉素理論的雛形，初的設計忽略了葉片翼型阻力和葉尖損失的影響，后來發現它們對風輪氣動性能影響較大。為此Wilson研究了葉尖損失和升阻比對葉片氣動性能的影響，對Glauert設計方法進行了改進，形成了經典的動量葉素理論，之后動量葉素理論一直被廣泛用于風力機葉片氣動性能的計算，并不斷地被修正完善。
　　渦尾跡的理論認為風力機葉片上的誘導速度和升力是由尾流中的自由渦流產生的，可根據附著渦、尾渦和附著渦量變化引起的脫落渦來建立氣動力計算模型。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。渦尾跡理論能體現風輪渦尾跡結構，適合用于風力機復雜流場的模擬，并能給出葉片載荷的詳細分布。隨著計算機技術的發展，計算流體力學方法（CFD)在風力機氣動性能數值模擬方面越來越受到重視。CFD方法是根據氣動理論建立不同的計算模型，通過計算機數值模擬，分析和顯示風力機旋轉過程中流場發生的各種現象，預測葉片的氣動性能。CFD方法由傳統的二維動量葉素理論方法發展到現在的求解三維N- S方程的全湍流計算方法，文獻對國內外CFD方法的研究現狀進行了評述，指出目前還沒有一種模型能用于所有翼型的氣動性能計算，而且翼型靜態和動態失速的計算結果，與實驗還存在差距。
　　1.2氣動外形設計
　　氣動翼型設計主要是氣動性能的優化設計，設計合適的翼型可以在特定的風速分布下獲得大風能，或者能夠限制失速風力機大功率輸出！1。由于葉片翼型對葉片的氣動性能和質量有重要影響，因此是大型風電葉片設計的關鍵之一，翼型的進步也是葉片技術發展的主要動力之一。
　　早期的水平軸風機葉片普遍采用航空翼型，例如NACA44x x和NACA230 x x，因為它們具有大升力系數高、槳距動量低和小阻力系數低等特點，但是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，會導致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失高達30% o隨著風電設備的發展，機組對葉片性能要求也不斷提高，傳統的航空翼型己經不適合用于設計高性能的葉片，因此美國、瑞典和丹麥等開始著手開發專用的風機翼型。例如美國Seri和NREL系列、丹麥RISo-A系列（丹麥的LM公司己開始在大型風機葉片上采用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系列在接近失速時具有良好的失速性能并且對前緣粗糙度敏感性低;FFAw系列具有良好的后失速性能。大型風機越來越多地采用專用翼型葉片一的設計方案，但是由于空氣動力的復雜性，葉片一外形的精確設計非常困難，佳葉片翼型基本都是在梯形葉片的基礎上，考慮葉尖速比、雷諾數和升阻比的關系對葉片外形進行優，相關的設計方法仍需深入地研究，葉片翼型的改講還有很大的發展空間。
　　2風機葉片的結構設計
　　葉片的結構設計是一個復雜的過程，葉片結構設計以葉片的氣動載荷分析為依據，設計目標是充分利用材料的性能，使大型葉片以小的質量獲得大的掃風面積，讓葉片具有更強的捕風能力，同時還要求設計的葉片結構滿足強度要求和剛度要求，保證結構的局部和整體穩定，運行時發生的
　　振動小或不出現共振。目前結構設計參考的規范主要有JEC國際標準和德國GL標準。
　　2.1葉片的結構形式目前上的大、中型風力機的葉片，大多采用型鋼主梁、蒙皮外殼、夾層腹板、金屬預埋件連接葉根與輪毅的結構形式，葉片結構設計主要有根部聯接設計、蒙皮和夾芯設計、主梁設計、預彎式結構設計。在葉根的聯接設計中，大中型風電葉片一大多采用預埋金屬件或螺栓的根端聯接形式！。蒙皮外殼除滿足氣動性能外，也承擔部分彎曲載荷和剪切荷載，蒙皮主要采用雙軸復合材料，葉根區域常采用強度高的翼形蒙皮結構來承受彎曲和疲勞載荷；葉尖區域常采用薄的翼形結構來滿足氣動性能的要求，葉尖蒙皮外形通常有平頭和劍頭兩種形式，相對于劍頭葉尖，平頭葉尖的外形有很好的氣動性能，但運行噪聲大，所以在對噪聲要求嚴格的地方，通常選用劍頭外形。主梁承擔大部分彎曲載荷，是葉片的主要承載結構，常用的形式有D型,0型、矩形和雙拼槽鋼等，腹板為夾芯結構，對主梁起到支撐作用。葉片結構的設計主要包括葉片各截面蒙皮、主梁及腹板的鋪層設計，以及材料的方向和厚度的選擇。
　　2.2葉片結構的分析風機葉片的結構分析在結構設計過程中是重要的一個環節。由于葉片一的葉根、前后緣、腹板和主梁都是采用復合材料的鋪層設計，采用理論方法計算精確的解析結果非常困難，目前風機葉片一的結構分析基本都是采用通用的商業有限元軟件，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、梁單元和實體單元，其中殼單元可以模擬葉片表面和夾芯結構以及設置蒙皮與主梁的連接，節點編設靈活，實體單元按真實結構建立3D單元o C. Kong采用了3D層合板復合材料殼單元和3D層合板夾芯三明治單元，對葉片結構進行靜力分析、模杰分析、屈曲分析．所設計的葉片結構滿足了標準要求。有限元法可用于設計和模擬分析，但在模擬校核中應用得更多，設計和校核須交叉進行，使葉片滿足設計規范和標準的要求。
　　3風機葉片的材料
　　風機葉片材料的強度和剛度是風力發電機組性能優劣的關鍵。隨著葉片技術和材料科學的發展葉片的材料也不斷進步，從初的木制葉片及布蒙皮葉片開始，經歷了鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片、玻璃鋼葉片、玻璃鋼復合材料葉片，目前已經采用高強輕質的碳纖維增強復合材料。
　　3.1葉片材料的進展玻璃鋼葉片和玻璃鋼復合材料葉片強度高、重量輕、耐老化，因此在大、中型風力機葉片一中被廣泛采用。玻璃鋼葉片的性能還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進，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到碳纖維的水平，而且經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，隨著葉片長度的增加也越來越重，例如當葉片一長度為19 m時質量1.8t，長度增加到34 m時重5. 8 t，如葉片達到52 m質量高達21t o
　　隨著葉片長度的增加，剛度是一個十分重要的指標，為了加強葉片剛度同時減輕葉片的重量，在大型和超大型風力機葉片中的局部高應力區域，碳纖維增強復合材料逐漸被采用。丹麥L M公司開發的應用于5MW風力發電機上的61.5 m長的大型風機葉片，其重量為17.7 t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強材料。德g國NordexRotor公司開發的56米長的風機葉片也采用了碳纖維，近美國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成為兆瓦級風葉片的很有發展前景的換代產品。Vestas公司在其3M W機型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機型使用的39 m葉片質量相同；E.C，公司資助的研究計劃指出在直徑120 m葉片轉子中添加碳纖維能有效減少總體重量達38%，另外也使得設計成本減少14%。不過碳纖維復合材料的性能雖然很優越，但價格昂貴（是玻璃鋼復合葉片的2-3倍），影響了它在風力發電上的應用。
　　3.2綠色環保葉片的研發玻璃鋼葉片的廢舊產品在退役后不易分解和燃燒，國內外大多采用填埋的方式處理，這對土地和環境造成了較大的影響。近年來，科研學者和研究機構開始積極探尋低成本、可回收利用的綠色環保葉片。國內學者研究了分級杉木和分級竹青板制成的復合材料風電葉片的制備，進行了力學性能的試驗，研究結果表明葉片一的力學性能均達到或超過目前國外風電葉片在用的常規木利／環氧層積材的葉片，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Cyclics公司簽署合作協議研究熱塑性復合環保葉片，愛爾蘭Limerick大學和國立Galway大學開展了熱塑性復合材料先進成型工藝技術的基礎研究，美國Cyclic、公司利用其開發的低粘度熱塑性CBT樹脂材料制作了個12.6 m可循環風力機葉片，該葉片退役后可再回收利用。目前一些復合材料公司正在對材料、工藝和質量控制等展開研究，以求開發成本較低的綠色葉片。
　　4 展望
　　隨著風電產業在范圍內的發展，風機葉片技術在未來的發展趨勢主要集中在葉片外形的改進和新材料的應用方面。葉片外形已經比較穩定，但在細部仍存在改進空間，尤其是在大尺寸葉片方面，CFD方法的發展將使得科研人員對葉片翼型進行更加精確地計算和設計；隨著葉片向大型化方向發展，輕質高強的碳纖維材料將逐漸擴大應用范圍，但能否大規模應用還取決于新材料的價格，因此降低熱塑性、竹質綠色環保葉片一的成本也是葉片材料研究的一個熱點，設計出更加高效、更低成本和可靠度高的風電葉片仍需利研人員的進一步探索。
　　目前，我國風電葉片技術還比較后，國內兆瓦級以上葉片的制造大多引進國外的技術。因此加強風電人才培養，增加技術開發投入，掌握葉片設計方法，研制出我國自主知識產權的葉片是我國風電產業發展的重要環節。
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