風電葉片優(yōu)化設計原則

風電葉片的優(yōu)化設計要滿足一定的設計目標，其中有些甚至是相互矛盾的，如：

年輸出功率最大化;最大功率限制輸出;振動最小化和避免出現(xiàn)共振;材料消耗最小化;保證葉片結(jié)構局部和整體穩(wěn)定性;葉片結(jié)構滿足適當?shù)膹姸纫蠛蛣偠纫蟆?/p>

風電葉片設計可分為氣動設計和結(jié)構設計這兩個大的階段，其中氣動設計要求滿足前兩條目標，結(jié)構設計要求滿足后四條目標。通常這兩個階段不是獨立進行的，而是一個迭代的過程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。

(1)外形設計

葉片氣動設計主要是外形優(yōu)化設計，這是葉片設計中至關重要的一步。外形優(yōu)化設計中葉片翼型設計的優(yōu)劣直接決定風機的發(fā)電效率，在風機運轉(zhuǎn)條件下，流動的雷諾數(shù)比較低，葉片通常在低速、高升力系數(shù)狀態(tài)下運行，葉片之間流動干擾造成流動非常復雜。針對葉片外形的復雜流動狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構成，葉片葉型的設計變得非常重要。目前葉片葉型的設計技術通常采用航空上先進的飛機機翼翼型設計方法設計葉片葉型的形狀。先進的CFD技術已廣泛應用于不同類型氣動外形的設計，對于低雷諾數(shù)、高升力系數(shù)狀態(tài)下風機運行條件，采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場是非常必要的。

在過去的10多年中，水平軸風電葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會導致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達30%。在認識到航空翼型不太適合于風電葉片后，80年代中期后，風電發(fā)達國家開始對葉片專用翼型進行研究，并成功開發(fā)出風電葉片專用翼型系列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。

這些翼型各有優(yōu)勢，Seri系列對翼型表面粗糙度敏感性低;RISO-A系列在接近失速時具有良好的失速性能且對前緣粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風機葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風機專用翼型將會在風電葉片設計中廣泛應用。表1為對NREL翼型系列性能提高的估算。

目前葉片外形的設計理論有好幾種，都是在機翼氣動理論基礎上發(fā)展起來的。第一種外形設計理論是按照貝茨理論得到的簡化設計方法，該方法是假設風力機是按照貝茨公式的最佳條件運行的，完全沒有考慮渦流損失等，設計出來的風輪效率不超過40%。后來一些著名的氣動學家相繼建立了各自的葉片氣動理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失，設計結(jié)果相對準確一些。Glauert理論考慮了風輪后渦流流動，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響，對葉片外形影響較小，對風輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎上作了改進，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風輪在非設計工況下的性能，是目前最常用的設計理論。

(2)結(jié)構設計

目前大型風電葉片的結(jié)構都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構造形式。蒙皮主要由雙軸復合材料層增強，提供氣動外形并承擔大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結(jié)構，提高其抗失穩(wěn)能力，這與夾芯結(jié)構大量在汽車上應用類似。主梁主要為單向復合材料層增強，是葉片的主要承載結(jié)構。腹板為夾芯結(jié)構，對主梁起到支撐作用。

典型葉片剖面構造形式

結(jié)構鋪層校核對葉片結(jié)構設計來說也必不可少。前在校核方面，大多用通用商業(yè)有限元軟件，比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對葉片進行校核時，考慮單層的極限強度、自振頻率和葉尖撓度，分析模型有殼模型和梁模型等，并且能夠做到這兩種模型的相互轉(zhuǎn)換，如圖2,3所示。與其他葉片結(jié)構相比，目前大型葉片的中空夾芯結(jié)構具有很高的抗屈曲失穩(wěn)能力，較高的自振頻率，這樣設計出來的葉片相對較輕。有限元法可用于設計，但更多用于模擬分析而不是設計，設計與模擬必須交叉進行，在每一步設計完成后，必須更新分析模型，重新得到鋪層中的應力和應變數(shù)據(jù)，再返回設計，更改鋪層方案，再分析應力和變形等，直到滿足設計標準為止，如圖4所示。因為復合材料正交各向異性的特殊性，葉片各鋪層內(nèi)的應力并不連續(xù)，而應變則相對連續(xù)，所以葉片結(jié)構校核的失效準則有時候完全采用應變失效準則。

(3)材料選擇

風電葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等，隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢之一就是其可設計性，通過調(diào)整單層的方向，可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去，葉片橫截面耦合效應是一個讓設計人員頭疼的難題，設計工程想方設法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。在葉片上，引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出。

玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)是現(xiàn)代風機葉片最普遍采用的復合材料，玻璃鋼以其低廉的價格，優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風機葉片材料的統(tǒng)治地位。但隨著葉片逐漸變大，風輪直徑已突破120m，最長的葉片已做到61.5m，葉片自重達18t。這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應用到葉片局部區(qū)域，如NEG Micon NM 82.40m長葉片，LM61.5m長葉片都在高應力區(qū)使用了碳纖維。由于葉片增大，剛度逐漸變得重要，已成為新一代MW級葉片設計的關鍵。

碳纖維的使用使風電葉片剛度得到很大提高，自重卻沒有增加。Vestas為V903.OMW機型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維，葉片自重只有6t，與V802MW,39m葉片自重一樣。美國和歐洲的研究報告指出，含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對于MW級葉片是一個非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計劃[10]中指出，直徑為120m風輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重達38%，設計成本減少14%。但碳纖維價格昂貴，極大地限制其在風機葉片上的使用。

現(xiàn)今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結(jié)構和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應用材料為主。但許多研究員卻大膽預言碳纖維的應用將會逐步增加。風能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式，未來若要大量取代玻璃纖維，必需低價才具有競爭力。