大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

劉奇星　鄭永　高康　李東旭　卜繼玲

摘 要：隨著綠色能源的推廣與利用，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。作為風(fēng)電機組的主要部件，葉片的設(shè)計方法一直是風(fēng)電機組研發(fā)的關(guān)鍵。本文主要對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行探析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；結(jié)構(gòu)設(shè)計；方法

前言

近年來，我國的風(fēng)電設(shè)備在技術(shù)水平與創(chuàng)新方面已有了突破性的成就，但與國外發(fā)達國家相比，仍存在很大差距，尤其在大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。因此，如何完善設(shè)計方法將是未來提高風(fēng)電機組核心技術(shù)的必然途徑。

1.風(fēng)電葉片設(shè)計的基本概述

1.1 風(fēng)電葉片設(shè)計

風(fēng)電葉片設(shè)計的過程實際是對葉片參數(shù)的選取與確定的過程，其中的參數(shù)對葉片的性能起決定性的作用。一般對風(fēng)電葉片進行設(shè)計主要目標在于：第一，通過較好的空氣動力外形獲得風(fēng)能。第二，結(jié)構(gòu)的強度與剛度能夠承受各種荷載。第三，其結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性較好，防止出現(xiàn)共振與顫振。第四，葉片重量的降低使制造成本減少。設(shè)計的過程主要分為對氣動與結(jié)構(gòu)的設(shè)計。其中氣動設(shè)計過程中，主要對葉片幾何外形做出最佳的選擇，實現(xiàn)年發(fā)電量最大的目標，而結(jié)構(gòu)設(shè)計主要對葉片材料的選擇、葉片結(jié)構(gòu)形式以及設(shè)計參數(shù)進行分析，使葉片的強度、剛度及穩(wěn)定性等目標得以實現(xiàn)。

1.2 葉片外形設(shè)計的主要方法

風(fēng)電葉片設(shè)計的主要任務(wù)是確定氣動外形。葉片外形作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計也有一定的限制。一般對氣動外形的設(shè)計的方法主要包括基于動量葉素理論的簡化設(shè)計方法、Glauert方法、以及維爾森方法?；趧恿咳~素理論的簡化設(shè)計方法通常用于對風(fēng)輪軸線截面與葉片產(chǎn)生的氣動力，并以此確定葉片參數(shù)與翼弦的關(guān)系。而Glauert方法主要對風(fēng)輪后渦流流動進行考慮，初步的設(shè)計、分析與修正氣動性能，存在一定的局限性，但在設(shè)計過程中屬于較好的指導(dǎo)方法。維爾森方法則是對Glauert方法的改進，是當前葉片啟動外形設(shè)計常用方法之一[1]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求在于動力學(xué)特性、設(shè)計壽命、極限強度設(shè)計條件以及剛度設(shè)計條件與葉尖變形。在葉片材料方面，通常選擇鋁合金、玻璃鋼、碳纖維增強復(fù)合材料等。葉片的內(nèi)部夾芯結(jié)構(gòu)一般以輕木與PVC為主，而且主體結(jié)構(gòu)中避免使用鋼材，只能將其作為葉片結(jié)構(gòu)的連接件。

2.葉片承載結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 葉片構(gòu)造設(shè)計分析

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計主要任務(wù)是葉片的構(gòu)造設(shè)計，以受載荷情況為依據(jù)，確定結(jié)構(gòu)的形式。如果葉片結(jié)構(gòu)屬于空腹薄壁，受載過程中便出現(xiàn)局部失穩(wěn)或變形過大的情況，因此在空腹內(nèi)需添加夾芯材料，或者設(shè)置加強肋以保證總體強度與剛度的提高。葉片的制造往往使用葉片上下殼體以及抗剪腹板獨立成型的方法，然后再將抗剪腹板與上下殼體粘結(jié)形成完成的葉片。為提高葉片整體強度，葉片上下殼體在加工時將同時進行鋪設(shè)纖維與灌注，但實際設(shè)計過程中往往將葉片的上下殼體單獨設(shè)計，從而減小設(shè)計難度，保證葉片的性能。

對葉片各部分材料以及構(gòu)造形式確定之后，需將主梁在葉片內(nèi)部的位置與寬度等參數(shù)進行確定，但注意遵循一定的原則：首先，葉片厚度較大處布置主梁，保證抗彎剛度；其次，啟動中心、變槳中心與截面中心應(yīng)保持靠近，使重力作用下的扭矩減少；最后，結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)以統(tǒng)一的形式表達參數(shù)，使后續(xù)的計算更為方便。

2.2 復(fù)合材料葉片強度設(shè)計

符合材料葉片設(shè)計主要包括蒙皮鋪層設(shè)計與主梁帽鋪層設(shè)計。葉片蒙皮可進行氣動外形的提供，也具有承擔(dān)扭轉(zhuǎn)力矩的作用。當葉片腹板影響被忽略時，葉片可充當閉口薄壁梁。這時需要假設(shè)一定的條件對蒙皮厚度進行計算。另外，主梁帽鋪層設(shè)計，一般葉片承受彎曲荷載時，主梁帽發(fā)揮重要的作用。在計算過程中，需以葉片剛度條件為基礎(chǔ)對主梁帽厚度進行計算。如果蒙皮厚度、主梁位置、材料參數(shù)、鋪層參數(shù)等在確定的情況下，可直接進行逐層求和計算出截面的實際剛度，并根據(jù)鋪層數(shù)以及計算結(jié)果確定主梁鋪層數(shù)。

2.3 基于葉片截面位移的剛度設(shè)計

基于葉片截面位移的剛度設(shè)計，其過程主要為：首先設(shè)定條件；其次，截面位移的求解；再次，以截面位移為依據(jù)，對截面抗彎剛度進行求解；最后以截面抗彎剛度為依據(jù)，反求截面形狀，并對葉片抗彎結(jié)構(gòu)的尺寸進行確定。

3.結(jié)構(gòu)與氣動的平衡設(shè)計

3.1 葉片氣動與結(jié)構(gòu)的影響因素

葉片長度能夠確定的條件下葉片厚度、寬度與扭轉(zhuǎn)情況都會對葉片性能產(chǎn)生影響。從翼型厚度影響因素分析，因為風(fēng)電葉片可理解為具有厚度的殼體，而其厚度卻受氣動翼型影響，一般厚度會從葉根到葉尖減少。因為大型風(fēng)電葉片需要對巨大的極端載荷進行抵抗，所以葉片的厚度一般較大，因此在設(shè)計過程中應(yīng)注意把握葉片翼型的厚度。另外，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，影響比較大的還包括葉片的實度與扭角。實際的計算過程中，實度應(yīng)取在合理范圍內(nèi)。同時要把握扭角與槳距角和變槳位置的關(guān)系。

3.2 變槳中心的確定及其對外形與結(jié)構(gòu)的影響

從對葉片受力情況進行分析中可以看到，葉片所受到的扭矩作用主要來自啟動扭矩、離心力扭矩、重力扭矩以及變槳慣性力矩。如果使葉片各截面的變槳重心與中心保持重合，它的位置將出現(xiàn)在葉片最大最厚附近，這種設(shè)計有利于葉片承擔(dān)彎矩[3]。

4.結(jié)論

風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計對整個發(fā)電機組有著重要的影響。設(shè)計過程中，需遵循一定的設(shè)計原則與方法，把握好對葉片承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)與氣動的平衡設(shè)計，才能保證風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計更為科學(xué)、合理，從而促進風(fēng)電機組核心技術(shù)的提高。

參考文獻：

[1]宋聚眾.水平軸風(fēng)力機載荷工況設(shè)計方法研究[J].東方電氣評論，2010（2）：60-63.

[2]劉雄.風(fēng)力機槳葉總體優(yōu)化設(shè)計的復(fù)合形法[J].太陽能學(xué)報，2011（12）：156-158.

[3]馬志勇.大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與研究[D].華北電力大學(xué)，2011.

作者簡介：

劉奇星（1981年5月—），男，漢族，籍貫湖南衡陽。2012年畢業(yè)于湘潭大學(xué)，材料科學(xué)與工程專業(yè)。2012年就職于南車時代新材，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。