大型风机叶片的设计改进
1前言
20世纪80年代，石油、天然气等化石资源大量消耗。化石能源的使用导致了严重的环境问题，大气和水资源遭受严重污染。酸雨问题、温室效应和臭氧层破坏严重威胁着人类社会的可持续发展。
风能是绿色环保的可再生清洁能源，取之不尽，用之不竭。各国的开发的重点是用风力发电机将风能转换成电能。这种能量转换没有给大气造成任何污染。用风力发电，可减少化石能源的消耗，每生产1kW・h风电能就少排放约600g二氧化碳，对保护环境和生态平衡，改善能源结构具有重要意义。目前风电已经成为上增长快的新能源，在各国能源总量中所占的比例正在提高。1990~2007年风电成本降低了50%，与传统能源成本相差不大。在过去的10年里，风电装机总量以每年超过28%的速度增长，而且这种趋势还会持续下去。2006年，装机近15000MW，市值约为230亿美元。2006年底，风电总装机容量超过74000MW，足以供应2500万普通欧洲家庭用户电力需求。据国际能源署公布的资料，到2020年，全风电容量将达到12.6亿kW，是2002年风电装机容量的38.4倍，总投资约需6300亿美元。目前欧洲在风电技术和应用上处于地位，占全风电装机容量的74%。
叶片是风力发电机组有效捕捉风能的关键部件，其成本约占总成本的1/3。在发电机功率一定的条件下，如何提高发电效率，捕获更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕捉风能力的提高与叶片的外形、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。单个叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。200kW叶片单片重量约800kg,600kW叶片单片重量约2t，1 MW玻璃纤维不能满足要求。故现在的大型叶片在主要受力部件，尤其是在翼梁加人碳纤维作为增强材料来保证叶片能够安全地承担风、冰雪、温度等外界载荷。这样，不仅可以提高叶片的力学性能，也由于碳纤维具有导电性，可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。[-page-]
2气动性能设计改进
风轮气动设计包括：确定风轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。风轮运行环境复杂，经过风轮的气流变化多端，没有精确模型进行模拟。而风轮气动性能的计算除了与叶片本身的气动外形有关系外，还和周围的气流形式有很大关系，没有精确的气流理论模型，风轮气动性能的计算只能是近似的，是从机翼气动理论基础上发展而来，出现了两种计算理论：一种是叶素动量理论，另一种是涡流理论。
叶素动量理论实际上是综合了动量理论和叶素理论。BetZ采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的大风能利用系数，将风轮看作一个纯粹有能量转换器。理论假定风轮是理想的：①
流经风轮的气流为不可压缩均匀定常流；②不考虑摩擦力；③风轮简化为一个圆盘，④整个圆盘面受均匀轴向力；⑤风轮前后气流满足质量连续性方程。作用在风轮上推力均匀，应用动量方程，推导出风能大利用系数为0.593左右，这就是著名的Betz极限。
叶素理论把叶片沿翼展方向分成许多“微段”，即为叶素。叶素理论假定，所有叶素都是独立的，叶素之间不存在相互作用，通过各叶素的气流也不相互干扰。动量理论在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体来进行分析。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法之一。该理论对以前的设计方法进行了改进，研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮风能利用系数Cp值大，须使每个叶素的dCp与气动参数的关系式，从而得到佳气动参数和气动外形。由理论计算得到的弦宽和扭角分布在叶根处较大。考虑到叶根处剖面对风轮输出功率贡献不大，故可适当减小此处剖面弦宽和扭角，以降低叶片重量和成型难度。如得到气动外形，就可应用气动性能计算得到风轮气动性能，包括各种风速下及不同安装角的输出功率、轴向推力、转矩和相对应风能利用系数、推力系数、转矩系数，同时可得到气动荷载分布。[-page-]
叶素动量理论，有很大的缺陷：①计算结果的精确性过于依赖叶片翼型可靠的测试数据，而这些数据是那些长期从事叶片和风机制造的制造商，从实践当中获取经验积累获得的。如涉及到新翼型，必须慎用叶素动量理论；②大局限在于叶素动量理论只适合于稳态计算，实际中风是非稳态，风机不可能总处于稳态之中。湍流、风剪切和塔影将会对风风轮气动性能造成影响。非稳态的风况导致气流功角、载荷以及涡流的持续变化，这些都给叶素动量理论运用带来困难。对于①的不足目前无较大的改善，只能提高翼型的测量精度积累经验；对②中的不足，可将整体时间域分成若干小段时间域，在每个小段时间域将风况假定为稳态状态，然后将叶素动量理论在各小段时间域进行跳跃式的计算，同时建立各小段时间域之间的关系式，依次来模拟风机的非稳态状态。叶素动量理论简单易懂，更容易被人们所接受，同时经过大量的修正后，理论计算结果与实际误差在可接受范围之内，比较适合于工程应用。
另一种计算风轮气动性能的理论就是涡流理论。涡流理论认为对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尾迹涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作用。在涡流理论中，风轮叶片上的诱导速度和升力是由风轮尾流中的自由尾流涡诱导产生的，分别用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理论求得。用该理论计算风轮气动性能的关键在于如何合理模拟风轮后面的尾涡几何结构，而在叶素动量里一般用修正的办法进行弥补。因此，涡流理论研究的重点就在于如何建立尾流模型。一般现在有刚性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三种主要模型，一些文献的研究表明涡流理论计算结果更符合实际。但是涡流理论涉及到流体理论，计算复杂得多。这是改进风轮气动性能理论计算的一个方向。
3结构设计改进
在复合材料叶片结构设计方面，要的是熟悉叶片构造设计。叶根连接形式与叶片剖面形式是构造设计的重点。[-page-]
叶片与轮箍连接，使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮箍上，因此叶根的载荷大。叶片上的载荷通过根端结构的剪切强度、挤压强度、或玻璃钢与金属的胶结强度传递到轮箍上的，而玻璃钢的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端是危险的部位，设计时应予以重视。大型风力机玻璃钢叶片根端形式主要有：金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。目前国内自主开发的大型风力机叶片大多采用预埋金属杆根端形式。为确保根端结构的安全可靠，须进行金属杆与玻璃钢壳体结合强度的模拟试验。如果胶结工艺技术高，可采用金属法兰与叶根复合材料柱壳胶结，减轻根部的重量，使叶片外形流畅。
叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。主梁剖面有箱型形式或双槽钢形式，或D形。在后缘空腹处，采用夹层结构。叶片上大部分弯曲荷载由主梁承担，蒙皮起气动外形作用承担部分剪切载荷。这种剖面构造，既可以减轻叶片重量，又能提高叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。叶片蒙皮通常采用毡或双向织物增强的层板结构，也有用夹层结构，以提高蒙皮的强度和刚度。主梁用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度。夹芯材料可采用PVC泡沫或轻木。这些芯材有较高的剪切模量，组成的夹层结构有良好的刚度特性。传统叶片的纤维全为玻璃纤维，由于现在的叶片越来越大，越来越重，为减轻叶片重量，提高强度与刚度，其中一种改进措施是主梁部分或全部用碳纤维，蒙皮用玻璃纤维。这样可使结构重量有明显的下降。据国外专家分析指出，对于兆瓦级大型风力机叶片，采用碳／玻混杂纤维增强，可以降低叶片重量30％，减少叶尖挠度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纤维价格高，产量低，如果碳纤维能形成较大规模的生产，降低价格，碳纤维必将在兆瓦级大型风力机叶片生产中得到广泛应用。
叶片是风机的主要部件之一，要获得高效率的叶片，除了设计出优良的叶片外形之外，叶片性能的提高还可以通过气弹剪裁来改进。弹性剪裁可以通过两种途径来实现，种是将铺层输入，比如铺层材料，铺层方向作为设计参数。第二种方法是将叶片截面刚度弯扭耦合作为设计参数；种方法显然过于复杂，因为叶片铺层多的达到上百层，第二种方法在风机叶片设计中得到广泛应用。[-page-] 弯扭耦合是工程中常见的一种变形现象，即结构在发生弯曲的同时还伴随着扭转的产生。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。而在叶片结构上，也引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是前面所说的气弹剪裁。通过弯扭耦合设计，降低了叶片疲劳载荷，并能优化功率输出。叶片的优化设计是一个不断改进的过程。其设计的优化目标从开始的叶素功率输出大化，到年输出功率大化，到现在的性价比优化。现在出现了叶片采用“柔性”理念设计，叶片结构刚度有所降低，在外形上与传统叶片后缘线性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并大限度捕获所有可用风速段的风能，比传统叶片捕捉风能力提高了5~10%。
4结束语
以上介绍了一些大型风机叶片的改进方法，这些改进都是围绕风能大利用率及其成本小化来进行，以达到性价比高。在气动性能方面，主要用Wilson优化理论计算气动外形，用短时的稳定状态模拟风机的非稳定状态；在结构设计方面，主要是降低叶片重量，提高叶片刚度和强度，用碳/玻璃混杂代替全玻璃纤维和气弹剪裁来提高叶片性能。目前有效改进叶片设计的方法是使用碳纤维。对于来说，开发出适合本国的专用叶型也同样重要。
20世纪80年代，石油、天然气等化石资源大量消耗。化石能源的使用导致了严重的环境问题，大气和水资源遭受严重污染。酸雨问题、温室效应和臭氧层破坏严重威胁着人类社会的可持续发展。
风能是绿色环保的可再生清洁能源，取之不尽，用之不竭。各国的开发的重点是用风力发电机将风能转换成电能。这种能量转换没有给大气造成任何污染。用风力发电，可减少化石能源的消耗，每生产1kW・h风电能就少排放约600g二氧化碳，对保护环境和生态平衡，改善能源结构具有重要意义。目前风电已经成为上增长快的新能源，在各国能源总量中所占的比例正在提高。1990~2007年风电成本降低了50%，与传统能源成本相差不大。在过去的10年里，风电装机总量以每年超过28%的速度增长，而且这种趋势还会持续下去。2006年，装机近15000MW，市值约为230亿美元。2006年底，风电总装机容量超过74000MW，足以供应2500万普通欧洲家庭用户电力需求。据国际能源署公布的资料，到2020年，全风电容量将达到12.6亿kW，是2002年风电装机容量的38.4倍，总投资约需6300亿美元。目前欧洲在风电技术和应用上处于地位，占全风电装机容量的74%。
叶片是风力发电机组有效捕捉风能的关键部件，其成本约占总成本的1/3。在发电机功率一定的条件下，如何提高发电效率，捕获更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕捉风能力的提高与叶片的外形、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。单个叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。200kW叶片单片重量约800kg,600kW叶片单片重量约2t，1 MW玻璃纤维不能满足要求。故现在的大型叶片在主要受力部件，尤其是在翼梁加人碳纤维作为增强材料来保证叶片能够安全地承担风、冰雪、温度等外界载荷。这样，不仅可以提高叶片的力学性能，也由于碳纤维具有导电性，可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。[-page-]
2气动性能设计改进
风轮气动设计包括：确定风轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。风轮运行环境复杂，经过风轮的气流变化多端，没有精确模型进行模拟。而风轮气动性能的计算除了与叶片本身的气动外形有关系外，还和周围的气流形式有很大关系，没有精确的气流理论模型，风轮气动性能的计算只能是近似的，是从机翼气动理论基础上发展而来，出现了两种计算理论：一种是叶素动量理论，另一种是涡流理论。
叶素动量理论实际上是综合了动量理论和叶素理论。BetZ采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的大风能利用系数，将风轮看作一个纯粹有能量转换器。理论假定风轮是理想的：①
流经风轮的气流为不可压缩均匀定常流；②不考虑摩擦力；③风轮简化为一个圆盘，④整个圆盘面受均匀轴向力；⑤风轮前后气流满足质量连续性方程。作用在风轮上推力均匀，应用动量方程，推导出风能大利用系数为0.593左右，这就是著名的Betz极限。
叶素理论把叶片沿翼展方向分成许多“微段”，即为叶素。叶素理论假定，所有叶素都是独立的，叶素之间不存在相互作用，通过各叶素的气流也不相互干扰。动量理论在风轮扫掠面内半径r处取一个圆环微元体来进行分析。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法之一。该理论对以前的设计方法进行了改进，研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮风能利用系数Cp值大，须使每个叶素的dCp与气动参数的关系式，从而得到佳气动参数和气动外形。由理论计算得到的弦宽和扭角分布在叶根处较大。考虑到叶根处剖面对风轮输出功率贡献不大，故可适当减小此处剖面弦宽和扭角，以降低叶片重量和成型难度。如得到气动外形，就可应用气动性能计算得到风轮气动性能，包括各种风速下及不同安装角的输出功率、轴向推力、转矩和相对应风能利用系数、推力系数、转矩系数，同时可得到气动荷载分布。[-page-]
叶素动量理论，有很大的缺陷：①计算结果的精确性过于依赖叶片翼型可靠的测试数据，而这些数据是那些长期从事叶片和风机制造的制造商，从实践当中获取经验积累获得的。如涉及到新翼型，必须慎用叶素动量理论；②大局限在于叶素动量理论只适合于稳态计算，实际中风是非稳态，风机不可能总处于稳态之中。湍流、风剪切和塔影将会对风风轮气动性能造成影响。非稳态的风况导致气流功角、载荷以及涡流的持续变化，这些都给叶素动量理论运用带来困难。对于①的不足目前无较大的改善，只能提高翼型的测量精度积累经验；对②中的不足，可将整体时间域分成若干小段时间域，在每个小段时间域将风况假定为稳态状态，然后将叶素动量理论在各小段时间域进行跳跃式的计算，同时建立各小段时间域之间的关系式，依次来模拟风机的非稳态状态。叶素动量理论简单易懂，更容易被人们所接受，同时经过大量的修正后，理论计算结果与实际误差在可接受范围之内，比较适合于工程应用。
另一种计算风轮气动性能的理论就是涡流理论。涡流理论认为对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，因此，每个叶片的尾迹涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流的形成产生一定的作用。在涡流理论中，风轮叶片上的诱导速度和升力是由风轮尾流中的自由尾流涡诱导产生的，分别用Biot-Sa-vart和Kutta-Jowkowsk理论求得。用该理论计算风轮气动性能的关键在于如何合理模拟风轮后面的尾涡几何结构，而在叶素动量里一般用修正的办法进行弥补。因此，涡流理论研究的重点就在于如何建立尾流模型。一般现在有刚性尾流模型、自由尾流模型和修正的自由尾流模型三种主要模型，一些文献的研究表明涡流理论计算结果更符合实际。但是涡流理论涉及到流体理论，计算复杂得多。这是改进风轮气动性能理论计算的一个方向。
3结构设计改进
在复合材料叶片结构设计方面，要的是熟悉叶片构造设计。叶根连接形式与叶片剖面形式是构造设计的重点。[-page-]
叶片与轮箍连接，使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮箍上，因此叶根的载荷大。叶片上的载荷通过根端结构的剪切强度、挤压强度、或玻璃钢与金属的胶结强度传递到轮箍上的，而玻璃钢的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端是危险的部位，设计时应予以重视。大型风力机玻璃钢叶片根端形式主要有：金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。目前国内自主开发的大型风力机叶片大多采用预埋金属杆根端形式。为确保根端结构的安全可靠，须进行金属杆与玻璃钢壳体结合强度的模拟试验。如果胶结工艺技术高，可采用金属法兰与叶根复合材料柱壳胶结，减轻根部的重量，使叶片外形流畅。
叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。主梁剖面有箱型形式或双槽钢形式，或D形。在后缘空腹处，采用夹层结构。叶片上大部分弯曲荷载由主梁承担，蒙皮起气动外形作用承担部分剪切载荷。这种剖面构造，既可以减轻叶片重量，又能提高叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。叶片蒙皮通常采用毡或双向织物增强的层板结构，也有用夹层结构，以提高蒙皮的强度和刚度。主梁用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度。夹芯材料可采用PVC泡沫或轻木。这些芯材有较高的剪切模量，组成的夹层结构有良好的刚度特性。传统叶片的纤维全为玻璃纤维，由于现在的叶片越来越大，越来越重，为减轻叶片重量，提高强度与刚度，其中一种改进措施是主梁部分或全部用碳纤维，蒙皮用玻璃纤维。这样可使结构重量有明显的下降。据国外专家分析指出，对于兆瓦级大型风力机叶片，采用碳／玻混杂纤维增强，可以降低叶片重量30％，减少叶尖挠度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纤维价格高，产量低，如果碳纤维能形成较大规模的生产，降低价格，碳纤维必将在兆瓦级大型风力机叶片生产中得到广泛应用。
叶片是风机的主要部件之一，要获得高效率的叶片，除了设计出优良的叶片外形之外，叶片性能的提高还可以通过气弹剪裁来改进。弹性剪裁可以通过两种途径来实现，种是将铺层输入，比如铺层材料，铺层方向作为设计参数。第二种方法是将叶片截面刚度弯扭耦合作为设计参数；种方法显然过于复杂，因为叶片铺层多的达到上百层，第二种方法在风机叶片设计中得到广泛应用。[-page-] 弯扭耦合是工程中常见的一种变形现象，即结构在发生弯曲的同时还伴随着扭转的产生。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。而在叶片结构上，也引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是前面所说的气弹剪裁。通过弯扭耦合设计，降低了叶片疲劳载荷，并能优化功率输出。叶片的优化设计是一个不断改进的过程。其设计的优化目标从开始的叶素功率输出大化，到年输出功率大化，到现在的性价比优化。现在出现了叶片采用“柔性”理念设计，叶片结构刚度有所降低，在外形上与传统叶片后缘线性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并大限度捕获所有可用风速段的风能，比传统叶片捕捉风能力提高了5~10%。
4结束语
以上介绍了一些大型风机叶片的改进方法，这些改进都是围绕风能大利用率及其成本小化来进行，以达到性价比高。在气动性能方面，主要用Wilson优化理论计算气动外形，用短时的稳定状态模拟风机的非稳定状态；在结构设计方面，主要是降低叶片重量，提高叶片刚度和强度，用碳/玻璃混杂代替全玻璃纤维和气弹剪裁来提高叶片性能。目前有效改进叶片设计的方法是使用碳纤维。对于来说，开发出适合本国的专用叶型也同样重要。
