風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉敬波

[摘 ? ?要 ]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求也在逐漸增長(zhǎng)，傳統(tǒng)能源已經(jīng)處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，為了滿足人們多樣化的需求，我國(guó)開始開發(fā)新能源。風(fēng)能屬于清潔能源，能有效緩解環(huán)境污染的問題，使人與自然和諧相處。本文對(duì)風(fēng)輪在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要作用進(jìn)行分析，明確風(fēng)輪材料輪轂和葉片的屬性，分別探究輪轂和葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)模式。一方面要優(yōu)化驗(yàn)證輪轂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和減重結(jié)構(gòu)、改進(jìn)輪轂?zāi)Ｐ停硪环矫嬉鞔_葉片常見的設(shè)計(jì)方法、確定設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組模型、構(gòu)建葉片外形設(shè)計(jì)模型。這樣能優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)，提升應(yīng)用效果。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;風(fēng)輪設(shè)計(jì);輪轂

[中圖分類號(hào)]TM315 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the continuous development of society and economy， the demand for energy in various countries is gradually increasing. Traditional energy is already in short supply. In order to meet the diverse needs of people， my country has begun to develop new energy. Wind energy is a clean energy source， which can effectively alleviate the problem of environmental pollution and ensure harmony between man and nature. This paper analyzes the important role of wind turbines in wind turbines， clarifies the properties of the wind turbine material hub and blades， and explores the optimal design modes of the hub and blades respectively. On the one hand， it is necessary to optimize and verify the hub topology and weight reduction structure， and to improve the hub model. On the other hand， it is necessary to clarify the common design methods of blades， determine the design parameters， optimize the design of the generator set model， and construct the blade shape design model. In this way， the structure of the wind wheel of the wind turbine generator can be optimized， and the application effect can be improved.

[Keywords]wind turbine;wind wheel design;hub

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理較為簡(jiǎn)單，主要是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電的效果。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由5部分組成，即風(fēng)輪、機(jī)頭、機(jī)尾、回轉(zhuǎn)體以及塔架。其中風(fēng)輪在整個(gè)機(jī)組機(jī)構(gòu)中發(fā)揮著不可或缺的作用，其主要由輪轂和葉片組成，風(fēng)輪是保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵因素，能有效地把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

1 風(fēng)輪在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要作用

在能源學(xué)和電力學(xué)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪能有效地把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)輪的模式多種多樣，總結(jié)起來一共分為兩種，垂直軸風(fēng)輪和水平軸風(fēng)輪，判斷依據(jù)就是其內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的位置關(guān)系。目前，全國(guó)的電能產(chǎn)業(yè)空前的發(fā)展，為風(fēng)力機(jī)組產(chǎn)業(yè)帶來機(jī)遇，其中風(fēng)輪是核心要素，其應(yīng)用性能決定整個(gè)風(fēng)力機(jī)組利用風(fēng)能的效果以及機(jī)組承受的壓力負(fù)荷，與電能開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組運(yùn)行性能有著密切地聯(lián)系，并且風(fēng)輪中的葉片是機(jī)組中最重要的零部件，其成本占據(jù)總成本的18%左右。

2 風(fēng)輪材料和屬性

2.1 輪轂

輪轂的作用為連接電力發(fā)電系統(tǒng)的主軸和葉片，需要承受多樣化的交變荷載，所以它應(yīng)該具備較高的強(qiáng)度。為了滿足應(yīng)用的基本要求，部分輪轂設(shè)計(jì)得較為笨重，無形中增加制造的成本，與此同時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)的慣性量超過限定的范圍，增加了控制的難度，所以應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)不夠充足，許多大型的風(fēng)電廠都引進(jìn)圖樣進(jìn)行機(jī)械制造工作。但是在借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)地改進(jìn)，對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，打造中國(guó)特有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.2 葉片

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸向大型化模式發(fā)展，它的葉片的長(zhǎng)度值逐漸增加，捕獲的風(fēng)量逐漸提升?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)商們逐漸提高對(duì)葉片材料的關(guān)注度，應(yīng)用高質(zhì)量的材料，提高葉片的剛性和強(qiáng)度。比如，最近市場(chǎng)中出現(xiàn)一種三維混雜材料，它的強(qiáng)度和剛度較高，是由樹脂灌注而成，操作較為簡(jiǎn)單，灌注效率高，且葉片的結(jié)構(gòu)較厚，能把鋪設(shè)的厚度控制在合理范圍內(nèi)，提升勞動(dòng)力資源的利用價(jià)值[1]。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 輪轂

3.1.1 輪轂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

（1）輪轂與3個(gè)葉片組合在一起形成風(fēng)輪。風(fēng)能被風(fēng)輪捕捉，隨后在主軸的助力下傳輸?shù)皆鏊冽X輪箱中。假設(shè)已經(jīng)知道主軸和變漿軸承的尺寸，構(gòu)建輪轂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。整個(gè)模型的主要要素為主軸法蘭、葉片變漿軸承和輪轂。把一個(gè)實(shí)心柱體作為需要設(shè)計(jì)輪轂的空間，在已知其他兩個(gè)要素的情況下，由它們決定邊界條件添加的要求。輪轂需要承受3個(gè)葉片的壓力，荷載主要位于中心點(diǎn)上，用來表示對(duì)輪轂的壓力。借助Bladed軟件能得出力的方向和大小，是一種極限荷載力。

（1）拓?fù)鋬?yōu)化以變密度為基本理論。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)引入一種密度可見材料，密度和參數(shù)之間的關(guān)系是人為定義的。把單元的設(shè)計(jì)密度P作為變量，有材料表示為P=1，沒有材料表示為P=0，把拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)設(shè)置為結(jié)構(gòu)應(yīng)變最小，保證材料的應(yīng)力要低于許用應(yīng)力。使用OptiStruct軟件對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的結(jié)果為輪轂位于一個(gè)球上。這就說明球狀的輪轂拓?fù)浞弦蟆榱诉M(jìn)一步探究輪轂在空心球分布的科學(xué)性，可以把它簡(jiǎn)化為殼狀的模型，經(jīng)過二次拓?fù)洳僮骱螅瑢?duì)邊界荷載進(jìn)行優(yōu)化。

（3）對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。輪轂的外形結(jié)構(gòu)為厚度分布不均勻的球體，其內(nèi)部為空心狀。在輪轂中越靠近主軸的法蘭，其內(nèi)壁越厚。輪轂的大小與優(yōu)化空間毛坯的大小有直接的聯(lián)系，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自身情況進(jìn)行優(yōu)化。此外，要提高對(duì)輪轂減重問題的關(guān)注度，在其中間位置開設(shè)3個(gè)小孔，但是隨著小孔的增加，鑄造難度也會(huì)有所提升，因?yàn)樾】讜?huì)增加輪轂的應(yīng)力。經(jīng)過綜合性的探究，輪轂應(yīng)該設(shè)計(jì)為球狀。

3.1.2 輪轂減重結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，輪轂應(yīng)該為球形，保障其半徑處于恒定狀態(tài)，導(dǎo)致輪轂重量過高的主要因素就是它的壁厚。在優(yōu)化自由尺寸時(shí)應(yīng)該明確壁厚的一般分布規(guī)律。

（2）建立有限元模型。因?yàn)檩嗇灲Y(jié)構(gòu)較為煩瑣，選取其中的中性面，利用形殼確定輪轂。把輪轂設(shè)置為設(shè)計(jì)空間，主軸法蘭和軸承為非設(shè)計(jì)空間，構(gòu)建有限模型。

（3）優(yōu)化自由模型。對(duì)所有單元的厚度進(jìn)行探究，設(shè)計(jì)的目標(biāo)為確保輪轂的重量最輕，限制條件為單元應(yīng)力值低于材料的許用應(yīng)力，并且輪轂的內(nèi)壁厚度大于3 cm。為了把輪轂厚度控制在合理的范圍內(nèi)，內(nèi)壁厚度設(shè)置為15 cm。經(jīng)過優(yōu)化可知，輪轂厚度的最大值為12 cm，位于主軸和輪轂法蘭連接的位置。一般區(qū)域的厚度都在3 cm左右。厚度的分布規(guī)律為距離輪轂越近，厚度值越高，這個(gè)結(jié)論可以與前面的拓?fù)浣Y(jié)果形成對(duì)應(yīng)。因此可以根據(jù)這個(gè)結(jié)論進(jìn)行重新設(shè)計(jì)工作[2]。

3.1.3 輪轂改進(jìn)模型

以前面尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)論為基礎(chǔ)，對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把輪轂的半徑減小，輪轂的內(nèi)壁厚度應(yīng)該依據(jù)尺寸優(yōu)化需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要對(duì)輪轂的疲勞強(qiáng)度和極限靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。修正前后的具體數(shù)值為：原始模型的靜強(qiáng)度參數(shù)為64 MPa、疲勞壽命為1.14E9、質(zhì)量為7.61 t;改進(jìn)模型的靜強(qiáng)度參數(shù)為31.1 MPa、疲勞壽命為4.96E9、質(zhì)量為6.23 t。

3.2 葉片

3.2.1 葉片常見的設(shè)計(jì)方法

因?yàn)榘l(fā)電的環(huán)境存在一定的特殊性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片在設(shè)計(jì)時(shí)容易受到其他因素的干擾。所以在不同的情況下應(yīng)該使用不同的設(shè)計(jì)方法，比如系數(shù)法、Wilson設(shè)計(jì)法、圖解法和簡(jiǎn)化風(fēng)車設(shè)計(jì)法等。以Wilson為基礎(chǔ)對(duì)葉片的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的就是提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效果，為生產(chǎn)發(fā)展助力?，F(xiàn)階段，我國(guó)還沒有完善風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)理論，不僅要符合函數(shù)的基本理念，還要把葉片的外形設(shè)計(jì)參數(shù)控制在科學(xué)范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)展弦數(shù)值進(jìn)行重點(diǎn)考量，探究在不同情況下氣動(dòng)數(shù)值的變化情況，經(jīng)過反復(fù)多次計(jì)算明確數(shù)值的變化走向情況。利用建模構(gòu)架數(shù)學(xué)資料庫(kù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片提供助力。葉片材料是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重中之重，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證葉片的柔韌性，因?yàn)闄C(jī)組在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片也會(huì)與其他的零部件進(jìn)行碰撞。使用預(yù)彎技術(shù)能減輕它的重量，降低生產(chǎn)成本。

3.2.2 確定重要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）額定功率。它主要指當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常的運(yùn)行模式下，風(fēng)輪機(jī)輸出的最大的效率。如果其處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)就表示機(jī)組在運(yùn)行時(shí)達(dá)到最大功率。如果確定了額定的數(shù)值那就會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和工作情況造成影響。只有進(jìn)行科學(xué)的數(shù)值設(shè)計(jì)工作才能從根本上發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大價(jià)值，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電的效果。

（2）額定風(fēng)速。在設(shè)計(jì)葉片時(shí)要對(duì)風(fēng)速進(jìn)行科學(xué)地把控，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的基本原理為利用葉片轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生機(jī)械能，之后把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ栽谶M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要精準(zhǔn)計(jì)算額定的風(fēng)速。簡(jiǎn)單來說額定風(fēng)速就是在額定功率下葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，它會(huì)隨著功率的改變而發(fā)生改變。

（3）空氣密度。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行的過程中對(duì)環(huán)境有較高的要求，在設(shè)計(jì)葉片時(shí)要對(duì)各種要素進(jìn)行充分地考量，其中空氣密度會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效果造成直接的影響，而溫度、風(fēng)速、濕度和大氣運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)空氣的密度造成影響。

（4）直徑大小。在設(shè)計(jì)風(fēng)輪的直徑時(shí)，需要把風(fēng)力發(fā)電的額定數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)需求來調(diào)節(jié)風(fēng)力的大小，測(cè)量區(qū)域的溫濕度，綜合考慮空氣的密度數(shù)值，確保能計(jì)算出最佳的直徑長(zhǎng)度[3]。

3.2.3 發(fā)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

（1）確定目標(biāo)函數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的根本目的是為提高風(fēng)能的利用率，把其轉(zhuǎn)化為電力資源，為人們的生活助力。但是在實(shí)際的轉(zhuǎn)化中容易受到客觀因素的影響，所以在正式設(shè)計(jì)前應(yīng)制定明確的目標(biāo)函數(shù)。只有確定明確的目標(biāo)，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的目的。在確定目標(biāo)函數(shù)的時(shí)候要以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的驗(yàn)收要求為基礎(chǔ)，計(jì)算出輸出功率數(shù)值和平均發(fā)電量來建立對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，為工作的順利開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）明確葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)化條件。當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件能決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，要掌握發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和區(qū)域的風(fēng)速，為優(yōu)化工作提供數(shù)據(jù)參考，當(dāng)完成所有的數(shù)據(jù)采集工作后就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)。在函數(shù)中呈現(xiàn)風(fēng)速的變化走向時(shí)，以風(fēng)速的變化規(guī)律明確功率的數(shù)值，如果風(fēng)速達(dá)到限定的數(shù)值，機(jī)組內(nèi)的數(shù)值也會(huì)隨之減少。利用片條理論對(duì)風(fēng)輪的葉片功率值進(jìn)行控制，在設(shè)計(jì)時(shí)要考量環(huán)境的影響因素，比如空氣密度、風(fēng)速、損失系數(shù)等。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩邊的氣壓差異較大，當(dāng)葉片運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)二次流動(dòng)的問題，葉片的運(yùn)行情況與機(jī)組的使用性能有直接的聯(lián)系，所以在設(shè)計(jì)中要對(duì)這些因素進(jìn)行考量。

3.2.4 葉片外形設(shè)計(jì)模型

對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣能提升整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果，在設(shè)計(jì)葉片時(shí)要考慮到空氣的流動(dòng)情況，以理論為基礎(chǔ)確定具體的輸出情況，探究在不同狀態(tài)下的葉片運(yùn)行情況，從而確定最佳的目標(biāo)函數(shù)。同時(shí)，要考慮到葉片的荷載和強(qiáng)度，綜合考慮各項(xiàng)因素，提高風(fēng)電機(jī)組的使用性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在能源高速損耗的背景下，開發(fā)和研究新能源刻不容緩，要科學(xué)把控能源之間的轉(zhuǎn)化問題?，F(xiàn)階段，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方面存在較大的進(jìn)步空間，應(yīng)該不斷總結(jié)和分析各個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制定最佳的設(shè)計(jì)方案，為之后的生產(chǎn)與生活奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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