風力發電機葉片葉根的受力性能綜述

摘 要：風力發電機葉片是風力發電機中的部件之一，葉片根部是葉片與風力機轉子輪轂連接的關鍵部分，葉根工作時處于復雜的拉壓、彎扭和剪切載荷組合工況中，因此葉根連接部位必須具有滿足要求的強度、剛度和穩定性能，因此，葉根連接部分受力性能對葉片的安全運行起著決定性的作用。

關鍵詞：葉片葉根；受力性能；綜述

上個世紀初，風力發電作為一種具有商業發展價值和發展前景的健康新型能源形式，已經獲得了極大程度的發展。隨著美麗中國、人與自然和諧發展的呼聲、風力資源開發技術的不斷深入研究、發展和運用實踐，對風力發電機系統關鍵部件設計方案的深入討論和研究越來越多。

風機葉片是一個纖維增強復合材料制成的薄殼結構。結構分為3個部分：第一部分為根部，材質一般為金屬；第二部分為外殼，一般為復合材料，通常是使用玻璃纖維增強材料與基體樹脂復合而成，一張葉片由兩個灌注成型的外殼構件粘合而成；第三部分為支撐外殼的主梁，即加強筋或加強框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強復合材料制成。

風力發電機葉片是發電機組中的部件之一，通過葉片的旋轉把風能轉換為機械能，再帶動發電機發電，最后將機械能轉換為電能。葉片根部是葉片與風力機轉子輪轂連接的關鍵部分，葉片在運轉過程中同時承受的氣動力、重力及離心力等復雜載荷影響都將通過葉根傳遞到的發電機輪轂上，由此，葉根承受著復雜的擠壓、彎扭、剪切載荷組合作用，因此葉根連接部位必須具有滿足要求的強度、剛度和穩定性能。因此，葉根連接部分受力性能對葉片的安全運行起著決定性的作用[ 1 ]。

大尺寸葉片的根部與發電機輪轂之間常采用雙頭螺紋桿連接，在葉片根部預浸料鋪層過程中，預先將加工好的螺栓套筒埋入，由于螺栓套筒是圓形截面形式，與周圍的玻璃纖維增強復合材料接觸面積較小，不利于葉片結構承受外部荷載，所以需要在螺栓兩側填充 “工”字形墊塊或矩形墊塊。

螺栓套筒與周圍的玻璃纖維增強復合材料連接部位受力情況復雜，是風力發電機機組各部件連接中易不滿足要求的部位。隨著發電機組的大型化趨勢發展，葉片更柔更長，葉片與發電機輪轂或者軸承的螺栓連接部位成為承受復雜交變載荷、惡劣工況的連接部位。統計資料表明，由于葉根連接處螺栓緊縮斷裂、葉根被拔出導致的葉片安全質量事故相當嚴重。為提高風力發電機組運行的經濟性、可靠性與穩定性，重點研究葉片葉根部分的連接安全性、有效性和持久性對整個機組的健康運行和使用壽命有重要工程實踐意義[ 2 ]。

在以玻璃纖維增強復合材料為風力發電機葉片主要材料的葉片結構形式中，葉片與根部的連接構造設計是關鍵問題。風力發電機葉片通常要承受自重，慣性力，等十幾到幾十噸的作用，還要考慮極端風荷載影響。為了保證風力發電機葉片的強度、剛度和局部穩定性，玻璃纖維增強復合材料葉片通常做成氣動外殼包裹主梁的形式，共同承擔外部荷載作用。

資料表明，國外有關風力機葉片的相關研究主要集中在葉片結構設計過程中的數值分析等方面，如數值迭代算法：利用已知條件，通過迭代過程逐漸接近設計目標；大部分研究著重于對數值計算算法的改進，以提高迭代過程的準確性、收斂性與快速性。對于風力發電機系統葉片結構設計方法的研究成果不多[ 3 ]。

水平軸風力發電機組發電功率與葉片長度平方成正比，而葉片重力與葉片長度立方成正比，隨著單機發電容量越來越大，葉片越來越長，葉片結構的強度、剛度和穩定性能要求隨之越來越高，提高材料強度、剛度就提高了結構的強度、剛度以及穩定性，這樣可以避免葉片在極端風載荷作用下與塔架碰撞。普通玻璃纖維的性能已趨于極限，不能滿足大型風力發電機葉片性能要求。因此，目前比較可行的方案是使用強度和模量更高的玻璃纖維。其中，關鍵問題是雙頭螺紋桿和葉根聯接區域的受力性能。

用于風力發電機組的雙頭螺紋桿和葉根的螺栓連接分析研究目前還比較少。一般情況下，螺紋桿的強度主要包括了靜力強度和疲勞強度。為了保證螺紋桿連接既不會在最大載荷下發生靜力強度破壞，也不會在循環載荷下發生疲勞斷裂，就必須對螺紋桿連接進行靜力強度和疲勞強度校核。螺紋桿連接中，如何提高疲勞強度是關鍵問題[ 4 ]。

大中型風力發電機葉片都是采用蒙皮與主梁結合的構造形式。目前對葉片的有限元計算中，主要根據葉片的結構實體，選用復合材料殼單元來建立主梁和氣動外殼模型，無法充分考慮根部復雜的連接結構對局部受力性能的影響。

多數學者對葉片根部進行分析研究時，一般采用ANSYS中的SOLID186六面體層合實體單元，根據鋪層工藝設定有關參數進行根部的三維有限元建模，參數主要有各單層的材料特性、各單層的鋪設角度和厚度等，ANSYS根據輸入的參數計算葉片結構在整體坐標系下的單層剛度矩陣，利用葉片結構邊界條件計算應變和應力。有學者研究表明在有限元中葉片結構按等效同向材料計算得到的位移準確度較高，但是等效的均質材料模型不能直接得到單層應力、應變。只能對感興趣的子層按層合結構作進一步分析以得到單層應力 [ 5 ]。

參考文獻：

[1] 蓋曉玲，田德，王海寬.風力發電機葉片技術的發展概況與趨勢[J].農村牧區機械化，2006（4）：53-56.

[2] 李彥蓉.風力發電機葉片結構有限元分析[D].北京：華北電力大學，2011.

[3] 劉丹，李軍向，薛忠民.風力發電機葉片數值模擬綜述[J].電氣技術，2010（7）：7-11.

[4] 莊恒東，黃輝秀，徐陽.兆瓦級風力發電機葉片載荷計算[J].玻璃鋼/復合材料，2014（5）：37～40.

[5] 潘燕環，徐加初，王蟠.風力發電機葉片根部的有限元建模研究[J].中北大學學報（自然科學版），2010，31（4）：429-431.

作者簡介：

周新坪（1990-），男，漢族，四川閬中人，工學碩士在讀，研究方向：結構工程和橋梁檢測。