大型風(fēng)輪葉片設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、大型風(fēng)輪葉片設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2010年04月28日來源：全球節(jié)能環(huán)保網(wǎng)閱讀：290我要評論 核心提示： 按目前國內(nèi)引進(jìn)技術(shù)比較普遍的1.5MW葉片來計算，20062010年，需要葉片數(shù)為7000片左右，而2010-2020年之間，所需葉片數(shù)將為50000片，國內(nèi)葉片市場巨大 1前言能源是人類社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的原動力。目前以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，不僅資源難以支撐，而且對環(huán)境帶來嚴(yán)重問題，特別是溫室氣體排放造成全球氣候變化將帶來一系列生態(tài)和環(huán)境問題。解決這一難題的出路在于開發(fā)清潔的可再生能源。目前在可再生能源中，除水電以外，風(fēng)電最具有商業(yè)開發(fā)條件。風(fēng)能作為環(huán)境友好型的可再生能源，它的開

2、發(fā)和利用不僅可以緩解世界能源危機(jī)，而且還具有常規(guī)化石能源不可比擬的優(yōu)勢，如可持續(xù)開發(fā)，不存在資源枯竭問題，不排放二氧化碳等溫室氣體和其他有害物質(zhì)等。地球上風(fēng)能資源非常豐富，據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，全球的風(fēng)能儲量約為2.74×109MW，其中可經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的風(fēng)能2×107MW，比可開發(fā)利用的水電總量還要大10倍。隨著常規(guī)化石能源的枯竭和生態(tài)環(huán)境的惡化，以風(fēng)電為代表的可再生能源的開發(fā)和利用受到各國政府的重視，經(jīng)過最近二十多年的發(fā)展，尤其是近幾年，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日益成為一個迅速增長的新興產(chǎn)業(yè)。在過去十年中，全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)以每年30%左右的速度快速增長，且這種趨勢還會持續(xù)下去。截止2006年底

3、，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已超過74GW。 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了風(fēng)電機(jī)組及其上游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，其中葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞直接影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率和機(jī)組所受載荷，在很大程度上決定了機(jī)組的整體性能和風(fēng)電開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)性。同時，葉片也是風(fēng)機(jī)的核心部件，其成本約為風(fēng)電機(jī)組總成本的20%1。因此，世界各大主要風(fēng)機(jī)制造商都非常重視葉片的設(shè)計和生產(chǎn)，并盡可能保持獨(dú)立的設(shè)計和生產(chǎn)能力。2風(fēng)輪葉片設(shè)計風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計要滿足一定的設(shè)計目標(biāo)，其中有些甚至是相互矛盾的1,2：年輸出功率最大化；最大功率限制輸出；振動最小化和避免出現(xiàn)共振；材料消耗最小化；保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)

4、定性；葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求。葉片設(shè)計可分為氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個大的階段，其中氣動設(shè)計要求滿足前兩條目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計要求滿足后四條目標(biāo)。通常這兩個階段不是獨(dú)立進(jìn)行的，而是一個迭代的過程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。2.1外形設(shè)計 葉片氣動設(shè)計主要是外形優(yōu)化設(shè)計，這是葉片設(shè)計中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計中葉片翼型設(shè)計的優(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，葉片之間流動干擾造成流動非常復(fù)雜。針對葉片外形的復(fù)雜流動狀態(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)計變得非常重要。目前

5、葉片葉型的設(shè)計技術(shù)通常采用航空上先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)翼翼型設(shè)計方法設(shè)計葉片葉型的形狀。先進(jìn)的CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同類型氣動外形的設(shè)計，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)機(jī)葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(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，會導(dǎo)致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達(dá)30%3。在認(rèn)識到航空翼型不太適合于風(fēng)機(jī)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

6、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)專用翼型將會在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計中廣泛應(yīng)用。表1為對NREL翼型系列性能提高3的估算。      目前葉片外形的設(shè)計理論有好幾種，都是在機(jī)翼氣動理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第一種外形設(shè)計理論是按照貝茨理論得到的簡化設(shè)計方法，

7、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)計出來的風(fēng)輪效率不超過40。后來一些著名的氣動學(xué)家相繼建立了各自的葉片氣動理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失,設(shè)計結(jié)果相對準(zhǔn)確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流流動，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)計工況下的性能，是目前最常用的設(shè)計理論。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計目前大型葉片的結(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

8、強(qiáng)，提供氣動外形并承擔(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5。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。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范。目前葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要建立在IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和德國GL標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，要求結(jié)構(gòu)滿足靜力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和葉尖撓度要求。復(fù)合材料葉片各鋪層是交錯鋪放的，實際初步設(shè)計時，將所有雙軸布視為一層，所有單軸布視為一層，這樣做對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能影響不大。葉片結(jié)構(gòu)鋪層是分段設(shè)計，各段厚度都不一致，應(yīng)對厚度進(jìn)行連續(xù)化處理，最終設(shè)計的各鋪層厚度還應(yīng)為各單層厚度的整數(shù)倍。 &

9、#160;    結(jié)構(gòu)鋪層校核對葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計來說也必不可少。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，考慮單層的極限強(qiáng)度、自振頻率和葉尖撓度6，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7，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)計出來的葉片相對較輕。有限元法可用于設(shè)計,但更多用于模擬分析而不是設(shè)計，設(shè)計與模擬必須交叉進(jìn)行，在每一步設(shè)計完成后，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，更改鋪層方

10、案，再分析應(yīng)力和變形等，直到滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為止，如圖4所示。因為復(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)則有時候完全采用應(yīng)變失效準(zhǔn)則。  2.3材料選擇葉片發(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

11、到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員頭疼的難題，設(shè)計工程想方設(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8。在葉片上，引人彎扭耦合設(shè)計概念，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9。 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

12、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NEG Micon NM 82.40m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)計的關(guān)鍵。碳纖維的使用使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級葉片是一個非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計劃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

13、達(dá)38%，設(shè)計成本減少14%。但碳纖維價格昂貴，極大地限制其在風(fēng)機(jī)葉片上的使用?，F(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，必需低價才具有競爭力。3風(fēng)輪葉片發(fā)展趨勢3.1葉片造型的發(fā)展前面提到風(fēng)機(jī)葉片專用翼型已成系列，但還存在很大改進(jìn)空間。采用柔性葉片也是一個發(fā)展方向，利用新型材料進(jìn)行設(shè)計，從而改進(jìn)空氣動力和葉片受力狀態(tài)，增加可靠性和對風(fēng)能捕獲量。在開發(fā)新的葉片外形上也進(jìn)行大量嘗試，Enercon公司對33m葉片進(jìn)行空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片

14、的實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的最大氣動效率低約34%。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)，包括為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝“小翼”，如圖5所示；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71m的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個葉片（旋轉(zhuǎn)直徑為66m）運(yùn)

15、行時產(chǎn)生的噪音。3.2葉片材料的進(jìn)展風(fēng)機(jī)機(jī)組正朝著大型化發(fā)展，葉片長度越來越長，捕獲的風(fēng)能越來越多。風(fēng)場經(jīng)營者和能源公司都看好大葉片，因此Enercon公司的6MW機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生，GE公司的7MW機(jī)組研發(fā)緊鑼密鼓，而英國正在研制lOMW的巨型風(fēng)力機(jī)11。如此大功率風(fēng)機(jī)配套的葉片將是超規(guī)模的。目前普遍采用的玻纖增強(qiáng)聚脂樹脂、玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂將無法滿足要求。所以必須開發(fā)更為先進(jìn)的材料，具備輕質(zhì)、高強(qiáng)以及剛性好的性能。 碳纖維的使用已成必然，但一般以碳?；祀s的形式出現(xiàn)。3TEX開發(fā)了一種三維混雜結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)具備高強(qiáng)度、高剛度特性，同時該結(jié)構(gòu)能使樹脂灌注速度加快，縮短工作時間。且

16、這種結(jié)構(gòu)較厚，減少了鋪層層數(shù)，節(jié)約勞動力，降低了生產(chǎn)成本。實際結(jié)果表明，使用這種混雜纖維形式比全玻璃鋼葉片減輕質(zhì)量約為10%左右。      在未來的十幾年里，有大量的葉片將會退役，退役后葉片的處理將是我們所面臨的一個非常棘手的問題。目前使用的復(fù)合材料葉片屬于熱固性復(fù)合材料，很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基木上不再重新利用，易對環(huán)境造成影響，為此，人們開始積極研究開發(fā)“綠色葉片”熱塑性復(fù)合材料葉片12。愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日木三菱重工及美國Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。根據(jù)有關(guān)資

17、料介紹，與環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比較，若采用熱塑性復(fù)合材料葉片，每臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片重量可降低10%，抗沖擊性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可完全回收和再利用。安全快捷地制造“綠色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實現(xiàn)，Gaoth公司及其合作伙伴就是實現(xiàn)這一目標(biāo)的先驅(qū)。3.3葉片設(shè)計新的研發(fā)理念現(xiàn)在大型葉片的結(jié)構(gòu)基本為蒙皮加主梁的形式，主梁為預(yù)先成型，然后粘接到葉片蒙皮。國外有設(shè)計公司提出葉片整體成型概念，意在打破蒙皮主梁的結(jié)構(gòu)形式。丹麥LM公司提出了“Future Blade”的概念，且已在其54m和61.5m巨型葉片上使用了

18、這種設(shè)計概念。LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V. Nielsen認(rèn)為未來葉片設(shè)計的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本（COE）最優(yōu)化，葉片將會更加細(xì)長，這種設(shè)計技術(shù)將會降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化，材料成本將會降低，產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證。     今年三月，美國KnightCarver的風(fēng)電葉片公司成功開發(fā)了一種新型葉片STAR Blade13。這種具有創(chuàng)新性的葉片不同于當(dāng)前使用的絕大部分葉片，是專門針對低風(fēng)速區(qū)域設(shè)計的。這種葉片葉尖采用“柔性”設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計，在外形上與傳統(tǒng)葉片后緣線性變化不同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動扭矩，并

19、最大限度捕獲所有可用風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能，包括邊緣的低風(fēng)速區(qū)域，比傳統(tǒng)的葉片捕風(fēng)能力提高了510。第一片該種葉片已經(jīng)進(jìn)行了靜力測試，年內(nèi)還將生產(chǎn)第二片。    國內(nèi)中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研制的1.5 MW sinoma40.2m葉片已經(jīng)成功下線，并在今年7月份通過了靜力測試。該葉片采用新的“柔性、預(yù)彎”設(shè)計技術(shù)，針對國內(nèi)風(fēng)況設(shè)計，葉尖部分向上風(fēng)向彎曲，葉片細(xì)長，柔性好，其整機(jī)載荷低于同類37.5m 1.5MW葉片。4結(jié)語風(fēng)電將在全球范圍繼續(xù)高速發(fā)展，國內(nèi)、國外風(fēng)電市場巨大，中國的目標(biāo)是累計裝機(jī)容量在2010年達(dá)到500萬kW, 2020達(dá)到年3000萬kW，這個

20、目標(biāo)將會提前實現(xiàn)，國內(nèi)葉片市場將供不應(yīng)求。按目前國內(nèi)引進(jìn)技術(shù)比較普遍的1.5MW葉片來計算，20062010年，需要葉片數(shù)為7000片左右，而2010-2020年之間，所需葉片數(shù)將為50000片，國內(nèi)葉片市場巨大。  葉片設(shè)計技術(shù)的發(fā)展將會為我們提供更加高效，低成本，高可靠性的葉片，國內(nèi)葉片設(shè)計技術(shù)相對落后，目前MW級別上，葉片設(shè)計技術(shù)基本依賴進(jìn)口，但該局面有望在未來的幾年內(nèi)逐步得到改觀，完全依靠國內(nèi)力量設(shè)計的葉片不久的將來會在國內(nèi)風(fēng)電場上空運(yùn)轉(zhuǎn)。 參考文獻(xiàn)1 Tony Burton，David Sharpe，Nick Jenkins，Ervin Bossanyi. Win

21、d energy handbookM，John wileySons，LTD.，England，20012 M. Jureczko，M. Pawlak，A. Mezyk. Optimization of wind turbine bladeJJournal of Materials Processing Technology，2005,167:463-4713 J. L. Tangler，D. M. Somers. NREL Airfoil Families for HAWTs J，National Renewable Energy Laboratory，Colorado，USA，19954 B

22、ir，G. S.，Migliore，P. G. . A computerized method for prelimina-ry structure design of composite wind turbine bladesJProceed-ings of the AIAA/ASEM wind energy symposium，2001，Paper No.AIAA-2001-0022，pp：26-375 高克強(qiáng)，李新華RTM夾芯制品成型技術(shù)及其在汽車制品上的應(yīng)用J.纖維復(fù)合材料，2001,18(1):27-316 Bechly M. E.，Clausen P. D. . Structure design of a composite wind turbine blade using finite element analysisJComputersStruc-ture，1997，63(3):639-646.7 Dr. Jiangtao Wei，Tian Ye，Tian Weiguo. Derivation and validation of a beam type FE model of a glass fibre blade