水平轴风机叶片技术发展概述

　　风机叶片作为风电机组的核心部件之一，其性能质量直接影响整体机组的效率，设计合理的叶片是保证风电机组正常稳定运行的重要因素，另一方面叶片制造的成本占到了风机设备的20%—30%，因此提高叶片的性能降低叶片的制造成本，一直是风电技术研究发展的重要课题。本文将从风机叶片的气动设计、结构设计和材料的角度，总结和评估风机叶片技术发展的历程，探索叶片技术发展的关键，并分析今后发展的方向。
　　1风机叶片的气动设计
　　风机叶片的气动设计包括外形设计及气动性能计算，气动外形影响叶片把风能转化为机械能的效率，气动性能是评价叶片外形设计的关键指标。
　　1.1气动设计理论
　　风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来的。19世纪20年代一些着名气动学家Betz,Schmitz, Glauert, Wilson等在机翼理论的基础上发展了风轮气动理论，包括动量叶素理论和涡尾迹理论。
　　动量叶素理论实际上是动量理论和叶素理论的综合，动量理论设想风轮处于理想的状态下工作，假设风轮没有锥角，旋转时没有摩擦力，不考虑涡流损失等，然后通过引入轴向诱导因子得出轴向力和功能系数表达式，计算出理想状态下大风能利用系数为0.593，即着名的Bet z极限，该方法适合简单的外形设计；叶素理论将叶片沿展向分成若干个微段，称为叶素，并且假设叶素之间相互独立，通过各叶素的气流不相互干扰，即将叶素看成二维翼型，通过沿展向的积分求得叶素上的力和力矩，从而求得功率，但叶素理论没有考虑叶尖旋涡造成的功率损失。Schmitz理论考虑了叶片周向涡流损失，设计结果相对准确一些。Glauert先采用风轮尾流的叶素理论对叶片外形设计，建立了动量叶素理论的雏形，初的设计忽略了叶片翼型阻力和叶尖损失的影响，后来发现它们对风轮气动性能影响较大。为此Wilson研究了叶尖损失和升阻比对叶片气动性能的影响，对Glauert设计方法进行了改进，形成了经典的动量叶素理论，之后动量叶素理论一直被广泛用于风力机叶片气动性能的计算，并不断地被修正完善。
　　涡尾迹的理论认为风力机叶片上的诱导速度和升力是由尾流中的自由涡流产生的，可根据附着涡、尾涡和附着涡量变化引起的脱落涡来建立气动力计算模型。代表性的模型有Gohard提出的自由尾涡模型，KotU"的刚性尾涡模型，以及HumesTM的半刚性尾涡模型等！司。涡尾迹理论能体现风轮涡尾迹结构，适合用于风力机复杂流场的模拟，并能给出叶片载荷的详细分布。随着计算机技术的发展，计算流体力学方法（CFD)在风力机气动性能数值模拟方面越来越受到重视。CFD方法是根据气动理论建立不同的计算模型，通过计算机数值模拟，分析和显示风力机旋转过程中流场发生的各种现象，预测叶片的气动性能。CFD方法由传统的二维动量叶素理论方法发展到现在的求解三维N- S方程的全湍流计算方法，文献对国内外CFD方法的研究现状进行了评述，指出目前还没有一种模型能用于所有翼型的气动性能计算，而且翼型静态和动态失速的计算结果，与实验还存在差距。
　　1.2气动外形设计
　　气动翼型设计主要是气动性能的优化设计，设计合适的翼型可以在特定的风速分布下获得大风能，或者能够限制失速风力机大功率输出！1。由于叶片翼型对叶片的气动性能和质量有重要影响，因此是大型风电叶片设计的关键之一，翼型的进步也是叶片技术发展的主要动力之一。
　　早期的水平轴风机叶片普遍采用航空翼型，例如NACA44x x和NACA230 x x，因为它们具有大升力系数高、桨距动量低和小阻力系数低等特点，但是这些翼型对前缘粗糙度非常敏感，一旦前缘由于污染变得粗糙，会导致翼型性能大幅度下降，年输出功率损失高达30% o随着风电设备的发展，机组对叶片性能要求也不断提高，传统的航空翼型己经不适合用于设计高性能的叶片，因此美国、瑞典和丹麦等开始着手开发专用的风机翼型。例如美国Seri和NREL系列、丹麦RISo-A系列（丹麦的LM公司己开始在大型风机叶片上采用FFA- W系列翼型）、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有优势，Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低; RISo-A系列在接近失速时具有良好的失速性能并且对前缘粗糙度敏感性低;FFAw系列具有良好的后失速性能。大型风机越来越多地采用专用翼型叶片一的设计方案，但是由于空气动力的复杂性，叶片一外形的精确设计非常困难，佳叶片翼型基本都是在梯形叶片的基础上，考虑叶尖速比、雷诺数和升阻比的关系对叶片外形进行优，相关的设计方法仍需深入地研究，叶片翼型的改讲还有很大的发展空间。
　　2风机叶片的结构设计
　　叶片的结构设计是一个复杂的过程，叶片结构设计以叶片的气动载荷分析为依据，设计目标是充分利用材料的性能，使大型叶片以小的质量获得大的扫风面积，让叶片具有更强的捕风能力，同时还要求设计的叶片结构满足强度要求和刚度要求，保证结构的局部和整体稳定，运行时发生的
　　振动小或不出现共振。目前结构设计参考的规范主要有JEC国际标准和德国GL标准。
　　2.1叶片的结构形式目前上的大、中型风力机的叶片，大多采用型钢主梁、蒙皮外壳、夹层腹板、金属预埋件连接叶根与轮毅的结构形式，叶片结构设计主要有根部联接设计、蒙皮和夹芯设计、主梁设计、预弯式结构设计。在叶根的联接设计中，大中型风电叶片一大多采用预埋金属件或螺栓的根端联接形式！。蒙皮外壳除满足气动性能外，也承担部分弯曲载荷和剪切荷载，蒙皮主要采用双轴复合材料，叶根区域常采用强度高的翼形蒙皮结构来承受弯曲和疲劳载荷；叶尖区域常采用薄的翼形结构来满足气动性能的要求，叶尖蒙皮外形通常有平头和剑头两种形式，相对于剑头叶尖，平头叶尖的外形有很好的气动性能，但运行噪声大，所以在对噪声要求严格的地方，通常选用剑头外形。主梁承担大部分弯曲载荷，是叶片的主要承载结构，常用的形式有D型,0型、矩形和双拼槽钢等，腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。叶片结构的设计主要包括叶片各截面蒙皮、主梁及腹板的铺层设计，以及材料的方向和厚度的选择。
　　2.2叶片结构的分析风机叶片的结构分析在结构设计过程中是重要的一个环节。由于叶片一的叶根、前后缘、腹板和主梁都是采用复合材料的铺层设计，采用理论方法计算精确的解析结果非常困难，目前风机叶片一的结构分析基本都是采用通用的商业有限元软件，比如A NSYS, NAST RAN和ABAQUS等。不同的软件在单元模型的选取上有一定的差异，目前常用的单元模型有壳单元、梁单元和实体单元，其中壳单元可以模拟叶片表面和夹芯结构以及设置蒙皮与主梁的连接，节点编设灵活，实体单元按真实结构建立3D单元o C. Kong采用了3D层合板复合材料壳单元和3D层合板夹芯三明治单元，对叶片结构进行静力分析、模杰分析、屈曲分析．所设计的叶片结构满足了标准要求。有限元法可用于设计和模拟分析，但在模拟校核中应用得更多，设计和校核须交叉进行，使叶片满足设计规范和标准的要求。
　　3风机叶片的材料
　　风机叶片材料的强度和刚度是风力发电机组性能优劣的关键。随着叶片技术和材料科学的发展叶片的材料也不断进步，从初的木制叶片及布蒙皮叶片开始，经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片、玻璃钢复合材料叶片，目前已经采用高强轻质的碳纤维增强复合材料。
　　3.1叶片材料的进展玻璃钢叶片和玻璃钢复合材料叶片强度高、重量轻、耐老化，因此在大、中型风力机叶片一中被广泛采用。玻璃钢叶片的性能还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进，例如采用射电频率等离子体沉积去涂覆玻璃钢叶片，其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平，而且经这种处理后可以降低纤维间的微振磨损。但是玻璃钢叶片密度较大，随着叶片长度的增加也越来越重，例如当叶片一长度为19 m时质量1.8t，长度增加到34 m时重5. 8 t，如叶片达到52 m质量高达21t o
　　随着叶片长度的增加，刚度是一个十分重要的指标，为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量，在大型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域，碳纤维增强复合材料逐渐被采用。丹麦L M公司开发的应用于5MW风力发电机上的61.5 m长的大型风机叶片，其重量为17.7 t，在横梁和端部就使用了碳纤维增强材料。德g国NordexRotor公司开发的56米长的风机叶片也采用了碳纤维，近美国和欧洲的研究分析指出，含有碳纤维之玻璃纤维层压制品已经成为兆瓦级风叶片的很有发展前景的换代产品。Vestas公司在其3M W机型44 m的叶片主梁上也使用了碳纤维，使得叶片重量降至6t，与2M W机型使用的39 m叶片质量相同；E.C，公司资助的研究计划指出在直径120 m叶片转子中添加碳纤维能有效减少总体重量达38%，另外也使得设计成本减少14%。不过碳纤维复合材料的性能虽然很优越，但价格昂贵（是玻璃钢复合叶片的2-3倍），影响了它在风力发电上的应用。
　　3.2绿色环保叶片的研发玻璃钢叶片的废旧产品在退役后不易分解和燃烧，国内外大多采用填埋的方式处理，这对土地和环境造成了较大的影响。近年来，科研学者和研究机构开始积极探寻低成本、可回收利用的绿色环保叶片。国内学者研究了分级杉木和分级竹青板制成的复合材料风电叶片的制备，进行了力学性能的试验，研究结果表明叶片一的力学性能均达到或超过目前国外风电叶片在用的常规木利／环氧层积材的叶片，完全能够替代目前大量使用的玻璃钢叶片材料。爱尔兰Gaoth公司与日本三菱重工和与美国Cyclics公司签署合作协议研究热塑性复合环保叶片，爱尔兰Limerick大学和国立Galway大学开展了热塑性复合材料先进成型工艺技术的基础研究，美国Cyclic、公司利用其开发的低粘度热塑性CBT树脂材料制作了个12.6 m可循环风力机叶片，该叶片退役后可再回收利用。目前一些复合材料公司正在对材料、工艺和质量控制等展开研究，以求开发成本较低的绿色叶片。
　　4 展望
　　随着风电产业在范围内的发展，风机叶片技术在未来的发展趋势主要集中在叶片外形的改进和新材料的应用方面。叶片外形已经比较稳定，但在细部仍存在改进空间，尤其是在大尺寸叶片方面，CFD方法的发展将使得科研人员对叶片翼型进行更加精确地计算和设计；随着叶片向大型化方向发展，轻质高强的碳纤维材料将逐渐扩大应用范围，但能否大规模应用还取决于新材料的价格，因此降低热塑性、竹质绿色环保叶片一的成本也是叶片材料研究的一个热点，设计出更加高效、更低成本和可靠度高的风电叶片仍需利研人员的进一步探索。
　　目前，我国风电叶片技术还比较后，国内兆瓦级以上叶片的制造大多引进国外的技术。因此加强风电人才培养，增加技术开发投入，掌握叶片设计方法，研制出我国自主知识产权的叶片是我国风电产业发展的重要环节。
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