大型风电叶片结构设计方法研究

刘奇星　郑永　高康　李东旭　卜继玲

摘 要：随着绿色能源的推广与利用，对风电叶片结构设计也提出了更高的要求。作为风电机组的主要部件，叶片的设计方法一直是风电机组研发的关键。本文主要对大型风电叶片结构设计方法进行探析。

关键词：风电叶片；结构设计；方法

前言

近年来，我国的风电设备在技术水平与创新方面已有了突破性的成就，但与国外发达国家相比，仍存在很大差距，尤其在大型风电叶片结构设计方面。因此，如何完善设计方法将是未来提高风电机组核心技术的必然途径。

1.风电叶片设计的基本概述

1.1 风电叶片设计

风电叶片设计的过程实际是对叶片参数的选取与确定的过程，其中的参数对叶片的性能起决定性的作用。一般对风电叶片进行设计主要目标在于：第一，通过较好的空气动力外形获得风能。第二，结构的强度与刚度能够承受各种荷载。第三，其结构动力学特性较好，防止出现共振与颤振。第四，叶片重量的降低使制造成本减少。设计的过程主要分为对气动与结构的设计。其中气动设计过程中，主要对叶片几何外形做出最佳的选择，实现年发电量最大的目标，而结构设计主要对叶片材料的选择、叶片结构形式以及设计参数进行分析，使叶片的强度、刚度及稳定性等目标得以实现。

1.2 叶片外形设计的主要方法

风电叶片设计的主要任务是确定气动外形。叶片外形作为结构设计的基础，对结构设计也有一定的限制。一般对气动外形的设计的方法主要包括基于动量叶素理论的简化设计方法、Glauert方法、以及维尔森方法。基于动量叶素理论的简化设计方法通常用于对风轮轴线截面与叶片产生的气动力，并以此确定叶片参数与翼弦的关系。而Glauert方法主要对风轮后涡流流动进行考虑，初步的设计、分析与修正气动性能，存在一定的局限性，但在设计过程中属于较好的指导方法。维尔森方法则是对Glauert方法的改进，是当前叶片启动外形设计常用方法之一[1]。

1.3 结构设计

结构设计的基本要求在于动力学特性、设计寿命、极限强度设计条件以及刚度设计条件与叶尖变形。在叶片材料方面，通常选择铝合金、玻璃钢、碳纤维增强复合材料等。叶片的内部夹芯结构一般以轻木与PVC为主，而且主体结构中避免使用钢材，只能将其作为叶片结构的连接件。

2.叶片承载结构设计

2.1 叶片构造设计分析

叶片结构设计主要任务是叶片的构造设计，以受载荷情况为依据，确定结构的形式。如果叶片结构属于空腹薄壁，受载过程中便出现局部失稳或变形过大的情况，因此在空腹内需添加夹芯材料，或者设置加强肋以保证总体强度与刚度的提高。叶片的制造往往使用叶片上下壳体以及抗剪腹板独立成型的方法，然后再将抗剪腹板与上下壳体粘结形成完成的叶片。为提高叶片整体强度，叶片上下壳体在加工时将同时进行铺设纤维与灌注，但实际设计过程中往往将叶片的上下壳体单独设计，从而减小设计难度，保证叶片的性能。

对叶片各部分材料以及构造形式确定之后，需将主梁在叶片内部的位置与宽度等参数进行确定，但注意遵循一定的原则：首先，叶片厚度较大处布置主梁，保证抗弯刚度；其次，启动中心、变桨中心与截面中心应保持靠近，使重力作用下的扭矩减少；最后，结构设计中，应以统一的形式表达参数，使后续的计算更为方便。

2.2 复合材料叶片强度设计

符合材料叶片设计主要包括蒙皮铺层设计与主梁帽铺层设计。叶片蒙皮可进行气动外形的提供，也具有承担扭转力矩的作用。当叶片腹板影响被忽略时，叶片可充当闭口薄壁梁。这时需要假设一定的条件对蒙皮厚度进行计算。另外，主梁帽铺层设计，一般叶片承受弯曲荷载时，主梁帽发挥重要的作用。在计算过程中，需以叶片刚度条件为基础对主梁帽厚度进行计算。如果蒙皮厚度、主梁位置、材料参数、铺层参数等在确定的情况下，可直接进行逐层求和计算出截面的实际刚度，并根据铺层数以及计算结果确定主梁铺层数。

2.3 基于叶片截面位移的刚度设计

基于叶片截面位移的刚度设计，其过程主要为：首先设定条件；其次，截面位移的求解；再次，以截面位移为依据，对截面抗弯刚度进行求解；最后以截面抗弯刚度为依据，反求截面形状，并对叶片抗弯结构的尺寸进行确定。

3.结构与气动的平衡设计

3.1 叶片气动与结构的影响因素

叶片长度能够确定的条件下叶片厚度、宽度与扭转情况都会对叶片性能产生影响。从翼型厚度影响因素分析，因为风电叶片可理解为具有厚度的壳体，而其厚度却受气动翼型影响，一般厚度会从叶根到叶尖减少。因为大型风电叶片需要对巨大的极端载荷进行抵抗，所以叶片的厚度一般较大，因此在设计过程中应注意把握叶片翼型的厚度。另外，叶片结构设计中，影响比较大的还包括叶片的实度与扭角。实际的计算过程中，实度应取在合理范围内。同时要把握扭角与桨距角和变桨位置的关系。

3.2 变桨中心的确定及其对外形与结构的影响

从对叶片受力情况进行分析中可以看到，叶片所受到的扭矩作用主要来自启动扭矩、离心力扭矩、重力扭矩以及变桨惯性力矩。如果使叶片各截面的变桨重心与中心保持重合，它的位置将出现在叶片最大最厚附近，这种设计有利于叶片承担弯矩[3]。

4.结论

风电叶片结构的设计对整个发电机组有着重要的影响。设计过程中，需遵循一定的设计原则与方法，把握好对叶片承载结构的设计、结构与气动的平衡设计，才能保证风电叶片结构设计更为科学、合理，从而促进风电机组核心技术的提高。

参考文献：

[1]宋聚众.水平轴风力机载荷工况设计方法研究[J].东方电气评论，2010（2）：60-63.

[2]刘雄.风力机桨叶总体优化设计的复合形法[J].太阳能学报，2011（12）：156-158.

[3]马志勇.大型风电叶片结构设计方法与研究[D].华北电力大学，2011.

作者简介：

刘奇星（1981年5月—），男，汉族，籍贯湖南衡阳。2012年毕业于湘潭大学，材料科学与工程专业。2012年就职于南车时代新材，结构设计工程师，研究方向：复合材料结构设计。