大型風電葉片結構設計方法研究

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，對風電葉片結構設計也提出了更高的要求。作為風電機組的主要部件，葉片的設計方法一直是風電機組研發的關鍵。本文主要對大型風電葉片結構設計方法進行探析。

關鍵詞：風電葉片；結構設計；方法

前言

近年來，我國的風電設備在技術水平與創新方面已有了突破性的成就，但與國外發達國家相比，仍存在很大差距，尤其在大型風電葉片結構設計方面。因此，如何完善設計方法將是未來提高風電機組核心技術的必然途徑。

1.風電葉片設計的基本概述

1.1 風電葉片設計

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

1.2 葉片外形設計的主要方法

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

1.3 結構設計

結構設計的基本要求在于動力學特性、設計壽命、極限強度設計條件以及剛度設計條件與葉尖變形。在葉片材料方面，通常選擇鋁合金、玻璃鋼、碳纖維增強復合材料等。葉片的內部夾芯結構一般以輕木與PVC為主，而且主體結構中避免使用鋼材，只能將其作為葉片結構的連接件。

2.葉片承載結構設計

2.1 葉片構造設計分析

葉片結構設計主要任務是葉片的構造設計，以受載荷情況為依據，確定結構的形式。如果葉片結構屬于空腹薄壁，受載過程中便出現局部失穩或變形過大的情況，因此在空腹內需添加夾芯材料，或者設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纖維與灌注，但實際設計過程中往往將葉片的上下殼體單獨設計，從而減小設計難度，保證葉片的性能。

對葉片各部分材料以及構造形式確定之后，需將主梁在葉片內部的位置與寬度等參數進行確定，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保持靠近，使重力作用下的扭矩減少；最后，結構設計中，應以統一的形式表達參數，使后續的計算更為方便。

2.2 復合材料葉片強度設計

符合材料葉片設計主要包括蒙皮鋪層設計與主梁帽鋪層設計。葉片蒙皮可進行氣動外形的提供，也具有承擔扭轉力矩的作用。當葉片腹板影響被忽略時，葉片可充當閉口薄壁梁。這時需要假設一定的條件對蒙皮厚度進行計算。另外，主梁帽鋪層設計，一般葉片承受彎曲荷載時，主梁帽發揮重要的作用。在計算過程中，需以葉片剛度條件為基礎對主梁帽厚度進行計算。如果蒙皮厚度、主梁位置、材料參數、鋪層參數等在確定的情況下，可直接進行逐層求和計算出截面的實際剛度，并根據鋪層數以及計算結果確定主梁鋪層數。

2.3 基于葉片截面位移的剛度設計

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

3.結構與氣動的平衡設計

3.1 葉片氣動與結構的影響因素

葉片長度能夠確定的條件下葉片厚度、寬度與扭轉情況都會對葉片性能產生影響。從翼型厚度影響因素分析，因為風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，因此在設計過程中應注意把握葉片翼型的厚度。另外，葉片結構設計中，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，實度應取在合理范圍內。同時要把握扭角與槳距角和變槳位置的關系。

3.2 變槳中心的確定及其對外形與結構的影響

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，它的位置將出現在葉片最大最厚附近，這種設計有利于葉片承擔彎矩[3]。

4.結論

風電葉片結構的設計對整個發電機組有著重要的影響。設計過程中，需遵循一定的設計原則與方法，把握好對葉片承載結構的設計、結構與氣動的平衡設計，才能保證風電葉片結構設計更為科學、合理，從而促進風電機組核心技術的提高。

參考文獻：

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

[2]劉雄.風力機槳葉總體優化設計的復合形法[J].太陽能學報，2011（12）：156-158.

[3]馬志勇.大型風電葉片結構設計方法與研究[D].華北電力大學，2011.

作者簡介：

劉奇星（1981年5月—），男，漢族，籍貫湖南衡陽。2012年畢業于湘潭大學，材料科學與工程專業。2012年就職于南車時代新材，結構設計工程師，研究方向：復合材料結構設計。