小功率（小型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

林鎖鑫等

摘要：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是攝取風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)性能決定著發(fā)電機(jī)自身的運(yùn)行壽命與工作效率。小型風(fēng)機(jī)的葉片翼型的相關(guān)設(shè)計(jì)和葉片結(jié)構(gòu)形式的選擇能直接影響著風(fēng)機(jī)相關(guān)性能與風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，它們是風(fēng)機(jī)葉片最核心部分，所以，風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)外形相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在小功率的風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造中有重要地位。

關(guān)鍵詞：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；風(fēng)輪；葉片；優(yōu)化設(shè)計(jì)；風(fēng)能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM129 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.020

目前，各個(gè)國(guó)家都特別重視地球的能源情況，電能排在能源消耗的第一位，其是根據(jù)其他的地球能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換得來(lái)的。各個(gè)國(guó)家電能的生產(chǎn)大多是依靠水力發(fā)電與火力發(fā)電，但是水力發(fā)電會(huì)受到自然環(huán)境制約，火力發(fā)電是用煤與重油燃燒之后生產(chǎn)的，會(huì)產(chǎn)生大量有害的氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，近幾年來(lái)各個(gè)國(guó)家都在非常積極地發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。小型風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)能吸收比較關(guān)鍵的一個(gè)部件就是葉輪，它能直接決定小型風(fēng)機(jī)風(fēng)能的利用系數(shù)。風(fēng)機(jī)的葉輪最為核心的一部分即為葉片，風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的效率可以被風(fēng)機(jī)葉片的形狀與風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)性能所影響，因此，伴隨著國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)飛速的發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)也有了非常大的進(jìn)步。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到飛速的發(fā)展，尤其國(guó)內(nèi)小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的適用范圍十分廣闊。在自然風(fēng)能豐富的地區(qū)及國(guó)家電網(wǎng)還未能輸送的偏僻地區(qū)，我們可以采用與實(shí)際情況符合的獨(dú)立、高效的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較重要的部件為葉片，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以及制造很重要。葉片是由玻璃鋼制成的復(fù)合材料，其可大大地降低發(fā)電機(jī)自身的重量，增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身捕風(fēng)的能力，降低小功率風(fēng)機(jī)的相關(guān)成本。本篇文章根據(jù)比較偏遠(yuǎn)的北方地區(qū)相關(guān)風(fēng)能資源的詳細(xì)情況，來(lái)對(duì)小型（小功率）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先計(jì)算了葉片的直徑；其次確定了風(fēng)機(jī)葉片的截面翼型以及具體的尺寸；最后對(duì)荷載工況以及強(qiáng)度校核進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。

2 計(jì)算葉片直徑D

風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)其實(shí)主要是確定葉片數(shù)、翼型、葉片直徑、轉(zhuǎn)速、弦長(zhǎng)、安裝角和扭角等相關(guān)參數(shù)，在這些參數(shù)被確定下來(lái)之后即可求出風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)。

小型風(fēng)機(jī)的葉片翼型多是扭曲型，而且扭曲型的葉片制造相對(duì)比較困難，但是它可以提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，小型風(fēng)機(jī)能得到相對(duì)最高的風(fēng)能的相對(duì)利用率。進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要使風(fēng)機(jī)葉片截面翼型各個(gè)地方實(shí)際進(jìn)行安裝的角度互相不同，它的角度是從葉根到葉尖漸漸減小的，這樣就可以令葉片的各處每時(shí)每刻的狀態(tài)都會(huì)處在最好的迎角，這樣就能使其升力為最佳，還可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行風(fēng)能接受的相關(guān)效率。我們選擇了最近幾年來(lái)比較常用的NACA4412翼型。

3.1 確定葉尖速比

3.2 確定風(fēng)機(jī)葉片的截面翼型的弦長(zhǎng)

4 設(shè)計(jì)荷載工況和強(qiáng)度校核

作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上面的荷載有三種，即氣動(dòng)力、離心力、重力。它的葉片可以簡(jiǎn)單地當(dāng)作懸臂梁。根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)力、離心力和重力即能計(jì)算出葉片的彎矩、剪力和扭矩。根據(jù)薄壁的結(jié)構(gòu)理論，我們就可以求出剖面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。對(duì)于各種荷載的工況還需要區(qū)分疲勞荷載和極限荷載，尤其進(jìn)行極限荷載計(jì)算時(shí)，我們還需要計(jì)算非常難遇的特殊風(fēng)速，它的風(fēng)速在50～65m/s，這就要求風(fēng)機(jī)的葉片在極限的荷載之下需要滿足其強(qiáng)度的變形與穩(wěn)定。

5 分析其動(dòng)態(tài)特性

發(fā)電機(jī)的葉片特性有頻率、響應(yīng)以及振顫。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)載荷主要有交變性和隨機(jī)性，所以在靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析時(shí)還要考慮到動(dòng)態(tài)因子將會(huì)十分粗糙。相比較，精確的分析方法即動(dòng)力響應(yīng)，由于受葉片動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)及計(jì)算模型等的影響，其計(jì)算的結(jié)果誤差較大。彎扭振動(dòng)中一些參數(shù)的耦合影響會(huì)發(fā)生葉片的顫振。調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片所固定的頻率，可以有效避開(kāi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片所共振的相關(guān)區(qū)域，會(huì)使風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)的動(dòng)應(yīng)力得到降低。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片的各個(gè)剖面相關(guān)的扭角各不相同，所以主慣性軸不是互相平行的，因此就會(huì)產(chǎn)生了X與Y兩個(gè)方向的彎曲耦合的振動(dòng)。在葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的時(shí)候還能產(chǎn)生相應(yīng)的離心力來(lái)使各個(gè)剖面都會(huì)受到軸向的拉力，即相當(dāng)于使風(fēng)機(jī)葉片相對(duì)的彎曲剛度得到增加，還增加了葉片彎曲的頻率。經(jīng)計(jì)算證明，一階振動(dòng)的方向頻率和試驗(yàn)結(jié)果是很接近的，其誤差不會(huì)高于10%，可以滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

6 葉片材料的優(yōu)化選擇

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的葉片是通過(guò)直接迎風(fēng)來(lái)得到風(fēng)能資源的，這就要求風(fēng)機(jī)的葉片選用比較先進(jìn)的制作材料以及非常科學(xué)的制作工藝，這樣才能保證風(fēng)機(jī)葉片可以有效地承擔(dān)非常大的風(fēng)力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的自身重量，轉(zhuǎn)動(dòng)以后離心力所帶給風(fēng)機(jī)葉片的彎矩以及拉力，與此同時(shí)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)還要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)必須要輕，其強(qiáng)度必須要高，而且其制造還要比較簡(jiǎn)單，因此小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片材料也是決定小型風(fēng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片材料主要是木質(zhì)和帆布的，最近幾年來(lái)，風(fēng)機(jī)葉片的材料開(kāi)始漸漸選用玻璃鋼材料，其具有重量較輕、力學(xué)性能和穩(wěn)定性都很好、成型比較簡(jiǎn)單、價(jià)格非常便宜等許多優(yōu)點(diǎn)，憑借這些優(yōu)點(diǎn)逐漸成為了小功率（小型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的葉片材料。為了滿足小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致玻璃纖維復(fù)合材料也在逐漸進(jìn)行技術(shù)的革新，實(shí)驗(yàn)證明，玻璃纖維進(jìn)行了表面處理之后其界面的粘結(jié)的強(qiáng)度以及單纖維的拉伸的強(qiáng)度都比沒(méi)有進(jìn)行表面處理的高，而且新型的玻璃纖維還可以對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的性能進(jìn)行提高，同時(shí)其葉片的成本不會(huì)增加，還可以將玻璃纖維的布（氈）進(jìn)行交替鋪設(shè)，這樣可以提高葉片的層間抗斷裂的

能力。

7 結(jié)語(yǔ)

單機(jī)容量的增加是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展的十分重要的標(biāo)志，它的葉片相關(guān)長(zhǎng)度同時(shí)也會(huì)逐漸增加。增加后設(shè)計(jì)中就需要考慮到更多的影響因素，這就需要學(xué)會(huì)其他方法的運(yùn)用，讓風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性一直處在最佳狀態(tài)。風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度的增加也會(huì)使葉片的重量有所增加，從而會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行及能量的輸出造成影響。在葉片運(yùn)行時(shí)，交變荷載會(huì)使葉片本身及機(jī)組進(jìn)入疲勞狀態(tài)，將會(huì)影響到機(jī)組的壽命，所以在對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮減重。與此同時(shí)，不僅令風(fēng)機(jī)的葉片安全運(yùn)行，令葉片的重量得到減輕，還要使風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的強(qiáng)度與剛度滿足要求，這就需要對(duì)葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)化提出更高要求。

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基金項(xiàng)目：2014年寧德師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

（責(zé)任編輯：陳 倩）