风力发电机的叶片设计优化分析

衣峻锋

摘 要：风能作为相对成熟且具有开发价值的清洁能源，世界各国对风能利用方式与发电技术格外重视。风能利用的核心是风力发电机，其中最常用的类型是水平轴风力发电机，叶片是风力发电机组的主要构成部件，直接影响风能利用效率。因此做好风力发电机叶片优化设计具有现实意义。文章中作者主要分析风力发电机的叶片设计优化措施。

关键词：风力发电机；叶片设计；优化措施

引言

受到科技水平与制造技术的限制，我国风电设备制造依旧没有实现国产化，关键部件依旧需要从国外进口，造成设备成本偏高，因此实际中有必要实现风力发电设备国产化，提高我国研发风力发电机组的技术能力，降低发电成本，促进市场竞争力的提高。文章中作者以叶片设计为研究对象，阐述具体的优化措施，提高风力发电效率。

1 风力发电机概述

风力发电机组装置构成较为复杂，主要包括发动机、风轮、发电机及控制设备等，主要功能在于将风能转化为机械能或电能。其中风轮是风力发电机的主要构成部分，在风力作用下风轮迅速旋转，实现能量的转换。实际中依据风轮结构以及气流中风轮的位置，将风轮分成水平轴与垂直轴两类。水平轴风力发电机风轮正常工作时，围绕水平轴不断旋转，风向与旋转平面相互垂直，叶片径向安装在风轮上且垂直于旋转轴，同时叶片与旋转平面保证一定程度的夹角，其构成如图1所示。文章中主要以水平轴风力发电机为研究对象，展开相关论述。

2 风力发电机叶片材料分析

传统的风力发电机叶片材料为帆布与木质，现在已经发展成为以复合材料为主。复合材料由两种或以上的材料构成，以某一种原料为基础，采用另外一种材料增加机体性能，充分满足实际中的各项需求。选择复合材料的时候，需要充分考虑机体与增强体材料的作用，确保叶片使用性能。目前树脂与增强材料共同构成的叶片是主要的叶片来源。

树脂价格极低且具备良好工艺性能，中小型风力发电机制造过程中此种叶片具有显著优势。但其缺点也比较明显，就是固化过程中收缩率大、成型过程存在毒性與气味等。这点来说环氧树脂有着更好的力学性能与尺寸稳定性，强耐腐蚀性，但生产成本偏高，因此实际中并没有广泛应用。

常用的叶片增强材料有三种：玻璃纤维、碳纤维及两者混合的混杂材料。（1）玻璃纤维。作为典型的无机非金属材料，玻璃纤维性能优越，有着绝缘性、高强度、保温性及柔软性，与树脂组合形成良好的结构用材；（2）碳纤维。作为无机高分子纤维有着碳材料的特性，还有着其他优势，比如体积小、质量轻及导电性能等，均衡风力发电机输出功率，促进风能利用效率的提高；（3）两者混合的混杂材料。现阶段风电叶片长度与要求不断提高，采用混杂材料促进叶片强度的提高，降低叶片自重与成本造价，在实际中有着广泛的应用。

3 风力发电机的叶片设计优化分析

风力发电机叶片设计优化时，需要从叶型选择开始，有效控制叶片设计质量，提高发电效率。

3.1 设计理论分析

叶片作为主要的风力发电机部件，其设计质量直接与发电机组设备运行效率相连，因此需要有意识提高叶片设计水平与质量，促进风力发电技术的进步完善。风力电阻叶片部件关键技术较多，主要有叶片结构、叶片材料及设计理论，其中风电机组最核心的部分包括叶片翼型设计与结构形式。叶片设计中包括很多内容：翼型设计、几何参数、叶片载荷及电气自动化等，属于典型的综合性一体技术，影响发电机组工作性能。

除此之外，风电机组依靠叶片捕获风能，叶片设计过程中综合考虑系统因素，包括质量、工艺及离心力等，这些内容都需要格外重视；后续实践中严格按照相关要求进行；叶片工作状态下要求表面光滑、流线型，减少空气摩擦阻力，并将润滑油持续添加在叶轮与轴承中，考虑迎风状态时的影响。

3.2 选择合适叶型

叶片处于风力发电机组前段，其结构设计极为重要，主要功能涉及机组铺货风能功率容量及后端机械能供电，通常在选择时需要考虑合适的方法。

Betz直接研究风轮工作状态的转化效率将其作为一元定常流动理论的基础，在此基础上勾勒出叶片的简单外形，以仿真模拟实验检验，发现实际中理论效果很难实现，同时续航能力较弱，不具备实际操作价值；学者Glauert以叶素理论为基础，通过叶片外形设计，结合优化设计。但并没有考虑机组效率受到翼型阻力与叶片磨损的影响，这就造成无风状态下外形设计不受影响，但处于迎风状态下，会对风轮气动性能产生直接影响。这两种理论都存在一定缺陷，因此实际中通常综合两种理论，实际中以Glauert作为基础采用Wilson理论，采用一定优化措施，这是风能发电机组常用的方法。选择叶片翼型特别重要，这是因为气动性能直接影响机组使用寿命与特性，影响风能利用系数。

3.3 修正启动能量损失

风电机组处于迎风状态时，系统需要同时承受自重、旋转离心力及空气动力，叶片旋转过程中会出现扭转、挥舞等方式的振动。扭转状态造成叶片与轴承间出现扭转振动，叶片旋转平面的弯曲振动直观表现为摆振，这些交织作用影响下系统慢慢趋于稳定，一旦各项平衡受力中出现变化，叶片磨损度增加，影响叶片使用寿命，情况严重时直接对轴承造成破坏。轴承旋转速率受到这类因素的影响，直接损失大量气动能量，气动力学是需要重点考虑的问题。设计叶片时装置上存在扭角，弱主轴与叶片旋转平面相互垂直，主轴叶片弯曲势必造成相邻主轴的弯曲，系统稳定不受挥舞振动与摆振的影响；扭转振动发生时，扭转载荷不足，叶片设计受到扭曲承受能力的影响，确保自然频率远超激振频率。

4 结束语

总而言之，我国有着丰富的风能资源，风电技术有着广阔的应用前景，加上风能发电技术符合我国的可持续发展战略，因此做好相关研究工作具有现实意义。文章中作者主要探讨风力发电机叶片设计优化措施。

参考文献

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