大型風輪葉片設計技術的現狀與發展趨勢

1前言
    能源是人類社會發展和經濟增長的原動力。目前以化石燃料為主的能源結構，不僅資源難以支撐，而且對環境帶來嚴重問題，特別是溫室氣體排放造成全球氣候變化將帶來一系列生態和環境問題。解決這一難題的出路在于開發清潔的可再生能源。目前在可再生能源中，除水電以外，風電最具有商業開發條件。風能作為環境友好型的可再生能源，它的開發和利用不僅可以緩解世界能源危機，而且還具有常規化石能源不可比擬的優勢，如可持續開發，不存在資源枯竭問題，不排放二氧化碳等溫室氣體和其他有害物質等。地球上風能資源非常豐富，據有關調查結果顯示，全球的風能儲量約為2.74×10⁹MW，其中可經濟開發利用的風能為2×10⁷MW，比可開發利用的水電總量還要大10倍。隨著常規化石能源的枯竭和生態環境的惡化，以風電為代表的可再生能源的開發和利用受到各國政府的重視，經過最近二十多年的發展，尤其是近幾年，風電產業日益成為一個迅速增長的新興產業。在過去十年中，全球風能產業以每年30%左右的速度快速增長，且這種趨勢還會持續下去。截止2006年底，全球風電總裝機容量已超過74GW。
    全球風電產業的迅猛發展帶動了風電機組及其上游產業鏈的快速發展，其中葉片是風電機組的關鍵部件之一，其性能好壞直接影響風電機組的風能利用效率和機組所受載荷，在很大程度上決定了機組的整體性能和風電開發利用的經濟性。同時，葉片也是風機的核心部件，其成本約為風電機組總成本的20%^[1]。因此，世界各大主要風機制造商都非常重視葉片的設計和生產，并盡可能保持獨立的設計和生產能力。
2風輪葉片設計
    風輪葉片的優化設計要滿足一定的設計目標，其中有些甚至是相互矛盾的^[1,2]：年輸出功率最大化；最大功率限制輸出；振動最小化和避免出現共振；材料消耗最小化；保證葉片結構局部和整體穩定性；葉片結構滿足適當的強度要求和剛度要求。
    葉片設計可分為氣動設計和結構設計這兩個大的階段，其中氣動設計要求滿足前兩條目標，結構設計要求滿足后四條目標。通常這兩個階段不是獨立進行的，而是一個迭代的過程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。
2.1外形設計
    葉片氣動設計主要是外形優化設計，這是葉片設計中至關重要的一步。外形優化設計中葉片翼型設計的優劣直接決定風機的發電效率，在風機運轉條件下，流動的雷諾數比較低，葉片通常在低速、高升力系數狀態下運行，葉片之間流動干擾造成流動非常復雜。針對葉片外形的復雜流動狀態以及葉片由葉型在不同方位的分布構成，葉片葉型的設計變得非常重要。目前葉片葉型的設計技術通常采用航空上先進的飛機機翼翼型設計方法設計葉片葉型的形狀。先進的CFD技術已廣泛應用于不同類型氣動外形的設計，對于低雷諾數、高升力系數狀態下風機運行條件，采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場是非常必要的。