風力發電機的葉片設計優化探討

摘 要：文章通過對風力發電機的理論分析，并針對發電機的葉片結構，提出葉型選擇、葉片設計理論、葉片氣動能量損失修正等關鍵技術理論；同時，通過對實際案例分析，以期設計出性能更加的風力發電機葉片。

關鍵詞：風力發電機；葉片；葉型；設計理論

1 風力發電機的葉片概述

隨著世界能源危機時代的來臨，世界環保組織對維持生態平衡的推動，使各國對可再生能源的重視日益高漲。1931年，蘇聯設計出容量100千瓦的風力發電裝置；1979年，浙江省泗礁島設計出容量18千瓦的風力發電裝置；內蒙古后續在草原上設計裝置出200臺100-250瓦的小型風力發電機組；目前，在全世界50個國家地方對可再生能源發展支持下，出臺了新能源開發相關法律法規，此舉對風能的普及至關重要，風能發電行業開始成為規模化新興產業。隨著世界對風力發電機組研討逐漸深入，以期可以最大程度上利用風能。風力發電機組主要由前端（葉片、葉輪、軸承）、傳動系統、后端（發電機、電氣部件、電能儲備）組成。其中，葉片是發電效率提升的關鍵技術，其主要包括葉片的葉型選擇、翼型設計、氣動外型設計等，并可直接影響發電機組工作性能。由于風力發電機組葉片尺寸大型、結構復雜，在實踐中對流線型、材料精度、強度、剛度、葉片表面粗糙度、質量要求嚴格，因此葉片技術對發電效率的提高起到決定性因素。目前，研究人員對風力發電機組前端部分深入研討，希望設計出優化葉片，提升機組系統的效率。

2 風力發電機的葉片設計與優化

2.1 葉型的選擇

在風力發電機組前端，葉片外形結構設計尤其關鍵，它涉及機組捕獲風能功率容量，決定后端機械能供能。1888年，世界上第一臺風力發電裝置由美國的CharlesF.Brush設計實現，當時由于人們對葉片結構的不了解，因此葉片采用平板設計，對風能難以有效捕獲，實踐價值低；1891年，世界上第一臺引用風洞的風力發電裝置由丹麥的PoulLaCour教授設計實現，他率先將氣體動力學與風力發電機組前端結合，當時世界對空氣動力學的實驗屬于淺顯水平，葉片設計仍然不適合風能轉化，然而此舉為后續風力發電機拓展開辟了新道路；20世紀初，伴隨著世界研究組對空氣動力學的深入，逐漸延伸至風力發電機組葉片的氣動設計，它成為機組對風能捕獲量和轉化效率的關鍵。科學家首先著眼于風力發電機組機翼氣動理論，以此為研究基礎，后續Betz、Wilson、Glauert等人率先引申出風輪氣動理論。Betz根據一元定常流動理論，研究風輪工作狀態下的風能轉化效率，接著其以該理論為基礎，設計出葉片的簡單外形構架，然而在仿真模擬中，實驗結果與理論截然不同，在實踐中難以續航；Glauert根據風輪尾流的葉素理論，著眼于葉片外形的理論設計，引申風輪氣動理論的計算為基礎，并且根據實際結構要求加以修正，以此實現葉片優化。但是值得一提的是，Glauert理論忽視了翼型阻力和葉片磨損方面對機組效率的影響，雖然在無風狀態下，不影響葉片的外形設計，然而一旦進入迎風狀態，則十分影響風輪氣動性能。Wilson理論以Glauert設計為基礎，并加以改造，是目前風能發電機組經常涉及的方法，其氣動優化設計理論針對Glauert設計針對葉片和翼型上的缺陷，研究了葉片損耗和翼型狀態下阻力對葉片性能的影響，并且對風輪的氣動性能有所涉獵。葉片翼型的選擇尤其關鍵，系統氣動性能影響著風力發電機組的使用特性和壽命，而翼型氣動特性的好壞，直接影響著機組對風能的利用系數。

2.2 葉片設計理論

葉片是風力發電機中的關鍵部件之一，憑借自身良好的設計、可靠的質量和優越的性能，是保障發電機組正常穩定運行的重要因素。因此，葉片的設計與制造質量水平尤其重要，被視為風力發電系統的關鍵技術和技術水平代表。關于風力發電機組葉片部件的關鍵技術，主要包括有葉片的設計理論、結構形式、材料選擇和翼型設計等，而其中，葉片的翼型設計和結構形式與風力發電機組系統的性能和功率息息相關，是系統最為核心的部分。

葉片設計包括葉片的葉型選擇、翼型設計、氣動外型設計、幾何參數、葉片載荷、動力學設計、復合材料結構、電氣自動化等，屬于綜合性一體技術，直接影響發電機組工作性能。對葉片設計的要求包括翼型設計、標準安裝配置、系統升阻比、葉尖材料、葉片扭角等。此外，由于機組依靠葉片捕獲風能，在葉片設計上，系統對葉片的設計結構、材料、工藝、質量、離心力以及對風能承受范圍等方面要求嚴苛；在后續實踐中，同樣要求葉片標準配置安裝、疲勞強度高、運轉安全可靠、低成本、維修便捷；在工作狀態下，葉片表面要求光滑、流線型，以減少由于空氣摩擦帶來的阻力，葉輪和軸承間持續添加潤滑油。正是由于葉片中這些因素缺一不可，因此其理論極其復雜，不易制作，要充分結合迎風狀態時的影響，考慮葉片結構、材料、質量、外形、粗糙程度等關鍵因素。

2.3 葉片氣動能量損失修正

在機組迎風時，由于系統承受空氣動力、旋轉離心力和自身重力的作用，葉片旋轉的同時會以擺振、扭轉、揮舞的方式振動，揮舞為葉片旋轉前后方向振動；扭轉為葉片與軸承的扭轉振動；擺振為葉片旋轉平面的彎曲振動，系統既承受機械振動，又承受氣動力、離心力等，倘若在交織作用下相互磨合，則振動趨于穩定，否則由于系統無法平衡受力，將加快葉片磨損，甚至直接破壞軸承。以上條件將降低軸承旋轉速率，損失氣動能量，所以風電設計中氣動力學問題至關重要。由于葉片設計時裝置有扭角，弱主軸垂直葉片的旋轉平面上，所以主軸葉片彎曲勢必帶動相鄰主軸，因此揮舞振動和擺振對系統穩定不具有威脅，而對于扭轉振動，由于扭轉載荷不足的問題，典型的葉片設計具有較強的扭曲承受能力，使自然頻率遠超激振頻率。

3 葉片的優化

文章筆者講述一種新的大型風力發電機葉片設計方法，包含四個階段：第一階段是葉片翼型氣動系數的獲取，通過naca、Xfoil和AirfoilPrep三個軟件有機結合得到攻角區間在-180°～180°內的翼型氣動系數；第二階段是葉片基本參數的設定，通過風力發電機葉片設計理論計算得到風力發電機的功率、風輪直徑、葉尖速比、葉片數、實度等；第三階段是采用Wilson法得到初步設計的葉片，通過Matlab編寫葉片效率的計算方法程序，進行初始葉片截面弦長和扭角的計算，從而得到初始葉片的效率值；第四階段是得到優化后的兩組葉片，基于Wilson方法設計結果，利用遺傳算法，在個體適應度計算時考慮葉片沿展向的相對厚度的變化，得到優化后的葉片參數；最后綜合考慮葉片厚度相對于槳距角發生變化的情況下，再對葉片進行優化，得到進一步優化的葉片參數。

后期仿真結果表明，在不同的風速下，通過這種優化方法得到的葉片，比原有葉片的風能轉換效率都有所增加，從而驗證了優化方法的有效性。

4 結束語

我國風能資源豐富，風電技術在目前來看依然前景遼闊，并且可再生能源符合我國可持續發展方針戰略。因此，促進風力發電的使用，對我國環保事業、維持生態平衡、避免能源危機方面至關重要。并且，由于在風力發電機組中，葉片為接受風能的主要部件，是捕獲風能容量的關鍵，因此在設計上要求嚴苛，需考慮機組動態參數，從而使機組極限載荷，緩沖疲勞載荷，實現系統安全可靠的運行。

參考文獻

[1]陳家權，楊新彥.風力機葉片立體圖的設計[J].機電工程，2006（4）.