风力机钝尾缘叶片结构设计及其特性研究

徐立军，徐 蕾，秦志文，张 磊，杨 科

(1.新疆工程学院 电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830091)

(2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190)

风力机钝尾缘叶片结构设计及其特性研究

徐立军，徐 蕾，秦志文，张 磊，杨 科

(1.新疆工程学院 电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830091)

(2.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190)

风力机的叶片要求具有足够的机械强度和刚度，在取得最大风能利用系数的同时具有最小的质量，同时要求风力机具有充足的安全性和稳定性。讨论了风力机叶片设计的基础理论，基于中国科学院工程热物理研究所研发的100kW钝尾缘实验叶片的设计参数，对叶片质量、刚度分布以及屈曲稳定性进行了重点研究。最后，通过塔尖间隙计算，分析了叶片运行的安全性。

风力机；叶片；结构设计；刚度；稳定性

大型叶片的造价非常昂贵，研究中的新概念及技术若直接用于制造全尺寸的叶片会有极大的风险。而缩小的风洞能够容纳的叶片尺寸较小，许多因素导致叶片模型无法得到与原型相似的几何外形及流动性。因此，建立一种具有一定规模、能代表大型风电叶片特性的小型风力机发电机组实验叶片，对大型风力机叶片的设计研发，完善大型风力发电机组基础开发平台，具有重要意义。

为此，中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发(实验)中心参考了华人风电科技有限公司的100kW风力机叶片设计制造了100kW钝尾缘实验叶片。所谓钝尾缘是应用于叶片内侧提高叶片结构特性的一种方式，可在不增加叶片质量的前提下提高叶片的强度。

本文对该钝尾缘实验叶片的结构设计方法及设计参数进行了讨论，对叶片的结构动力学特性进行了重点研究。

1 叶片设计理论

风力机叶片设计的主要目标包括：优良的空气动力外形，以从风能中获取尽可能多的能量；足够的强度和刚度，使叶片能承受足够大的载荷；良好的结构动力学特性，以避免叶片发生共振和颤振；质量尽量小，以降低重力载荷；成本尽量低[1]。

根据机组形式确定叶片的总体设计方案，结合叶片载荷设计参数、叶片材料及技术要求进行气动和结构设计，确定叶片各参数[2]。叶片气动设计的主要任务是以年发电量最大化为目标，确定叶片的几何外形；结构设计是以满足叶片的强度、刚度、稳定性及动特性为目标，进行叶片材料、结构形式等的设计[3]。

叶片设计的基本流程如图1所示。

1.1叶片翼型选择

风力机的能量转换效率与空气流过叶片所产生的升力相关，因此叶片翼型直接影响到风力机的风能转换效率[4]，尤其高性能后翼型设计对于大直径风力机的风能转换效率具有非常重要的意义。风力机叶片工作时雷诺数很低，需对其运行特性进行充分考虑和计算后才能进行设计[5-6]。传统的定桨距叶片通常采用航空飞行器的翼型，随着风电技术的发展，国外一些机构开发了很多种风力发电机专用翼型,以提高风力机的风能转换效率，延长叶片使用寿命，如美国国家航空咨询委员会的NACA系列翼型、瑞典航空研究院的FF-W系列翼型、丹麦RISφ翼型、美国NREL的S×××翼型以及荷兰Deft大学的DU翼型。

1.2叶片结构设计基础

叶片结构设计主要包括根部联接设计、主梁设计、蒙皮夹芯设计、腹板铺层设计以及材料铺设方向和厚度设计[7-8]。根部联接设计一般采用预埋金属件或螺栓形式；主梁是叶片所受载荷的主要承载机构，一般采用型钢并用单向复合材料层增强；蒙皮一般采用双轴复合材料增强，来承担叶片大部分的剪切载荷，并决定叶片的气动外形，其中叶根区域因承受弯曲和疲劳载荷较大， 通常采用强度较高的翼形蒙皮结构，而对于叶尖区域的气动性能要求较高，常采用薄翼形结构；因叶片后缘比较宽，故通常采用夹芯结构以提高其抗失稳能力；腹板也采用夹芯结构以支撑主梁。

现代大型风力机叶片结构铺层非常复杂，用理论方法分析计算非常困难，因此在进行叶片结构分析时常采用ANSYS、NASTRAN 和ABAQUS等商业有限元分析软件。有限元法更多情况下用于对设计的叶片进行模拟建模分析，从而进行设计修正和校核。叶片设计与模拟建模分析必须交互进行，每一步设计完成后，必须重建有限元分析模型进行铺层中的应力、应变数据计算,然后根据分析结果再返回设计，更改铺层方案，再重新进行应力、应变分析，直到满足设计要求为止。

2 实验叶片运行参数设计

叶片设计参数参考了华人风电科技有限公司提供的100kW风力机叶片的相关参数，在叶片最大弦长处采用了钝尾缘翼型CAS-W2-450，叶尖采用NACA18翼型，其余翼型全部采用DU系列翼型。设计中利用FOCUS进行初步载荷计算，根据计算结果调整设计，至少经过5次修改，最终确定了该方案。最终叶片的气动载荷是以FOCUS计算结果为准。叶片作为调试及首次实验对象，对最大功率系数及年发电量没有要求。

设计叶片时所需考虑的因素包括风场类型、机组基本参数及限制条件3个方面，设计标准及载荷计算按照GL∏A标准进行。由于叶片试验台的建设目的不是获得最大的年发电量，而是得到叶片的实际功率系数曲线及叶片在实际运行中的结构响应特性，因此不需要考虑当地的实际风况，风场类型按照GL∏A标准进行确定。

叶片采用3叶片结构，叶根弯矩的最大值为125.3kN·m，变桨制动力矩为8.81kN·m，变桨力矩最大值为122kN·m，单片叶片质量243kg，叶片质心位置距叶根为2.63m；叶根法兰螺栓分布圆直径350mm，螺栓为M20×140mm，螺栓旋出长度100mm，螺栓等级10.9；叶尖最大偏移量限制在1.7m以内。

叶片压力面与吸力面为对称铺层，配重盒位于叶片中部5m位置，叶片压力面与吸力面各有一个梁帽，剪切腹板位于梁帽中心线位置，处于叶片展向1 000mm至8 000mm之间。叶片主要使用3种类型的玻璃纤维增强织物和1种夹芯材料，其在叶片中的分布分别为：(1)梁帽、尾缘增强铺层为1 200g/m2单轴向布；(2)蒙皮、腹板外侧铺层、湿法处理及其他局部补强铺层均为1 000g/m2双轴向布；(3)叶根螺栓套上(下)增强铺层为1 200g/m2三轴向布；(4)夹芯结构的芯材为PVC泡沫。

叶片采用单梁单腹板结构，梁帽宽度有400mm和200mm 2种，在叶尖处宽度变窄，并沿着展向布置，吸力面和压力面尺寸相同，通过2个与梁帽相连的抗剪腹板，将叶片压力面壳和吸力面壳支撑起来。叶壳主要由双向布4545R、芯材、梁帽组成，在叶片尾缘做了增强处理，避免发生屈曲。

3 实验叶片结构特性分析

3.1质量和刚度分析

将叶片如图2所示划为若干段，对叶片进行分段积分就可求得叶片的计算质量。

叶片质量m的计算公式为：

叶片总体质量分布如图3所示(因保密需要，图中某些参数做了无量纲化处理)。

经计算，叶片总体质量为245kg,质量中心距离叶根2.83m。经加工制造出的叶片实际质量为255kg，与计算值误差很小。

叶片刚度计算是指叶片各截面在挥舞、摆振和扭转3个方向的刚度计算。其中挥舞、摆振方向是弯曲刚度[9]。叶片如果没有足够的弯曲刚度，尤其是挥舞方向的刚度，在阵风和极限载荷作用下运行时，碰到塔架造成破坏的可能性很大，因此在进行叶片设计时弯曲刚度的计算非常重要。

截面的弯曲刚度定义为截面所受的弯矩与该弯矩下截面单位长度旋转角度的比值,可表示为：

式中：E为截面等效弹性模量；I为截面等效惯性矩；M为截面弯矩；θ为扭矩T作用下截面扭转角；z为截面单位长度。

扭转刚度的计算公式为：

式中：G为弹性剪切模量；J为等效积惯性矩；T为叶片所受扭矩。

叶片挥舞、摆振刚度分布如图4、图5所示，叶片扭转刚度分布如图6所示。

由图4～图6可以看出，由于叶根与轮毂铰接

处铺层较厚，其摆振、挥舞与扭转刚度在半径为1.3m左右处达到最大值，随着延展向质量分步逐渐减小，刚度分布迅速减小，至叶尖处应力主要由主梁承受，刚度达到最小值。

3.2屈曲稳定性分析

本文采用FOCUS5中的平板屈曲分析程序结合fistrip对叶片各截面的屈曲安全因子进行计算，从而分析叶片的屈曲稳定性。计算过程中，考虑了所有的极限载荷例子，材料的安全因子依据GL2010标准选取，见表1。

因为在屈曲计算时没有考虑材料安全因子，所以所计算的安全因子要大于2.04(1.35×1.1×1.1×1.25)。图7给出了屈曲安全因子的分布，均大于2.04，叶片的屈曲稳定性校核是安全的。距叶根4m处屈曲安全因子最小，在叶片尾缘处最易出现屈曲不稳定。

3.3最小塔尖间隙

通过对各个载荷工况进行计算，得出最小叶尖与塔体间隙，见表2。表中“A”为最小叶尖与塔体间隙，“B”为空载下叶尖与塔体间隙，“C”为GL标准所允许的最小叶尖与塔体间隙。由表2可以看出，A值大于C值，所以该叶片安全。

4 结束语

钝尾缘实验叶片刚度分布满足设计时所遵循的简支梁理论中的刚度和载荷关系。叶片样品完成了极限载荷、疲劳载荷、屈曲稳定性等的校核，均满足要求，在实验中叶片显示出了较好的局部结构稳定性及运行安全性，整体性能优于传统的尖尾缘叶片。

分析结果显示，叶片中段的尾缘附近容易发生极限破坏和屈曲失稳，叶片中段最大厚度处容易出现疲劳破坏，对叶片进行增强时需重点考虑这些部位。

[1] 马志勇．大型风电叶片结构设计方法研究[D]．北京：华北电力大学，2011．

[2]KONGC,JAK.StudyonstrueturalandaerodynamicdesignofcompositebladeforlargescaleHAWTsystemfinalrePort[R] .Gyeongsangnam-do：HankukFiberLtd, 2000.

[3] 苗晓明，柳亦兵．风力发电机组设计[M]．北京：机械工业出版社，2010．

[4] 姚建忠，寇生中．风力发电机组叶片关键技术的发展概述[J]．机械制造，2012(8)：45-49．

[5] 牛山泉．风能技术[M]．刘薇，李岩，译.北京：科学出版社，2009．

[6] 郭新生．风能利用技术[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[7] 顾荣蓉，蔡新，朱杰，等．水平轴风机叶片技术发展概述[J]．能源技术，2010，31(4)：213-218．

[8] 李军向，薛忠民，王继辉，等．大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势[J]．玻璃钢/ 复合材料，2008(1)：48-52．

[9] 李军向．大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究[D]．武汉：武汉理工大学，2008．

The structural design and properties analysis of the wind turbine blunt blade

XU Lijun, XU Lei, QIN Zhiwen, ZHANG Lei, YANG Ke

(1.Department of Electrical and Information Engineering,Xinjiang Institute of Engineering, Xinjiang Urmqi, 830091, China)

(2.Institute of Engineering Thermal Physics, Chinese Academy of Science, Beijing, 100080, China)

The blade must have sufficient mechanical strength and stiffness, achieve maximum rotor power coefficient with minimum of quality, and adequate security and stability are necessary. This paper proposes the basic theories of the wind turbine design, analyzes the design parameters of 100 laboratory blunt blade such as the mass, stiffness distribution and buckling stability of the blade, evaluates the running safety of blade based on the calculations of clearance of tower and blade tip.

wind turbine; blade; structural design; stiffness; stability

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.007

2015-01-23

徐立军(1978—)，男，山东青岛人，新疆工程学院副教授，博士，主要研究方向为风力发电机载荷检测及控制。

TK83

A

2095-509X(2015)04-0027-04