淺談大型風(fēng)力機葉片設(shè)計

摘要：隨著科技的發(fā)展，風(fēng)力機的單機容量不斷增大，傳統(tǒng)的以氣動設(shè)計優(yōu)先的設(shè)計方法，已不能完全滿足大功率風(fēng)力機對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。因此本文介紹一種先結(jié)構(gòu)后氣動的鈍后緣翼型設(shè)計方法，該設(shè)計結(jié)果很好地滿足了大型風(fēng)機的要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 葉片 鈍后緣翼型

引言

常規(guī)能源日漸減少，環(huán)境危機日益嚴重，風(fēng)能作為一種可再生的清潔的能源越來越受到各國的重視。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也逐步發(fā)展成為具有一定規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。目前各國正加快對風(fēng)力發(fā)電機組的研究步伐，不斷推陳出新，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸由單機小容量走向大型化、大容量。從技術(shù)商業(yè)化程度看，風(fēng)電機的設(shè)計難以滿足實際要求，因而有必要對風(fēng)機系統(tǒng)進行改進設(shè)計、選用更好的材料、部件、選用更先進的控制裝置。這些改進不僅可以減輕負荷，而且還可以減少風(fēng)機的重量和部件的費用。

提出問題

風(fēng)力發(fā)電機要獲得較大的風(fēng)力發(fā)電功率，其關(guān)鍵在于要具有結(jié)構(gòu)及氣動性滿足要求的風(fēng)輪機葉片。大型風(fēng)力機葉片尺寸大，外形復(fù)雜，精度要求高、表面粗糙度低、強度和剛度高、質(zhì)量分布均勻性好等，使得葉片技術(shù)成為制約風(fēng)力發(fā)電大力發(fā)展的瓶頸。

葉片是風(fēng)電機組中關(guān)鍵部件之一，葉片設(shè)計關(guān)系著風(fēng)電機組的整體性能。風(fēng)電葉片設(shè)計過程通常包括兩部分：葉片外形氣動設(shè)計和葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)以上兩個方向進行的順序不同，風(fēng)電葉片的設(shè)計方法大致可以分為以下幾種方式：第一種，先進行氣動設(shè)計，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。該方法將氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計解耦，大大降低了設(shè)計的復(fù)雜性；但由于氣動設(shè)計先于結(jié)構(gòu)設(shè)計，在優(yōu)化的早期過度強調(diào)氣動外形的重要性，這樣雖然獲得了最優(yōu)的氣動外形，但卻伴隨著難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和昂貴的材料。第二種，犧牲部分氣動性能換取結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通常的做法是降低對葉片氣動外形的設(shè)計要求，通過在最優(yōu)的氣動外形附近進行小范圍的調(diào)整來達到犧牲少量的氣動性能換取好的結(jié)構(gòu)性能的目的。但該方法改變的空間不大。第三種，同時進行氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了達到更加接近全局最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，該方法主要借助于CAD和高性能計算手段，同時優(yōu)化葉片的結(jié)構(gòu)和形狀。這種方法計算量巨大，所以該方法在工程上應(yīng)用比較少。

最優(yōu)設(shè)計方法

通過對前三種已有的設(shè)計過程進行分析得出：設(shè)計的難點在于如何平衡氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。如果形狀設(shè)計完全不考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)果很可能在制作過程中結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)；而如果在氣動設(shè)計階段過多考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計，又會因計算復(fù)雜而影響工程的可行性。綜合考慮設(shè)計結(jié)果的優(yōu)化，設(shè)計難度、工程可行性、軟件的實現(xiàn)等現(xiàn)實因素，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，以現(xiàn)有的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過一些經(jīng)驗公式，先進行粗略的結(jié)構(gòu)設(shè)計，再以結(jié)構(gòu)設(shè)計的初步結(jié)果為參數(shù)進行氣動設(shè)計，最后用氣動設(shè)計的結(jié)果來校核結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

（1）葉片翼型布局： 葉片頂部，翼型較薄，具有較大的最大升阻比。對于葉展中部的翼型，側(cè)重于強度和幾何兼容的特性，翼型的厚度與弦長的比達到0.25左右，對最大升阻比的要求減弱。出于結(jié)構(gòu)和強度的考慮，風(fēng)力機根部區(qū)域采用厚翼型結(jié)構(gòu)。

（2）鈍后緣翼型：大型風(fēng)力發(fā)電機葉片長、質(zhì)量大，葉片要承受彎曲荷載和疲勞荷載，葉片內(nèi)圈較其他部位更易破損，為了滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，在大型風(fēng)力機的根部需要布置厚翼型，可大厚度尖后緣翼型氣動性能不如薄翼型，為了改善厚翼型氣動性能，現(xiàn)代大型風(fēng)機選擇鈍后緣翼型。鈍后緣翼型是對現(xiàn)有翼型的改進，與傳統(tǒng)翼型相比，鈍后緣翼型在結(jié)構(gòu)和氣動力特性上有一些優(yōu)點：第一，對于給定厚度的翼型，鈍后緣翼型可以增加葉片的截面面積和慣性矩，提高抗彎和抗扭強度；第二，鈍后緣翼型可以增加其截面的最大升力系數(shù)和升力曲線斜率，可有效降低翼型的污染敏感度；第三，鈍后緣翼型可以在增加翼型最大厚度的同時，相應(yīng)地降低了氣流通過截面最厚點后的逆壓力梯度，從而推遲或避免氣流的分離，改善其氣動性能。

總結(jié)

隨著風(fēng)力機的功率越來越大，導(dǎo)致葉片的重量不斷增加，風(fēng)力機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題突出。傳統(tǒng)的設(shè)計方法注重葉片的氣動設(shè)計，而對結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮得較少，或犧牲葉片的結(jié)構(gòu)性能來使氣動性能達到最佳。這種設(shè)計方法對于大型風(fēng)力機，特別是兆瓦級風(fēng)力機在進行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計時無法使結(jié)構(gòu)性能達到最優(yōu)。為了解決傳統(tǒng)風(fēng)力機設(shè)計存在的問題，本文采用以結(jié)構(gòu)設(shè)計為出發(fā)點的設(shè)計方法，在氣動設(shè)計之前先進行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計，很好地解決此問題。

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Introduction to large wind turbine blade design

Zhang dongxia Cao fei

（Jiangxi Yuzhou Scientific Technological Institute， Xinyu 338029 China）

Abstract： with the development of science and technology， of stand-alone wind turbine capacity increasing， the traditional design method of pneumatic design is preferred， can not fully meet the requirements of high power wind turbine for structural stability. So this article introduces a kind of structure before the blunt trailing edge airfoil aerodynamic design method， the design results well meet the demand of large fan.

Keywords： wind power generation， blunt trailing edge airfoil

作者簡介：張冬霞（1984，08～）女，河南南陽人，碩士，講師，研究方向：材料物理。