大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

   在過(guò)去的10多年中，水平軸風(fēng)機(jī)葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼型對(duì)前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會(huì)導(dǎo)致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達(dá)30%^[3]。在認(rèn)識(shí)到航空翼型不太適合于風(fēng)機(jī)葉片后,80年代中期后，風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)葉片專用翼型進(jìn)行研究，并成功開(kāi)發(fā)出風(fēng)電葉片專用翼型系列，比如美國(guó)Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優(yōu)勢(shì)，Seri系列對(duì)翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速時(shí)具有良好的失速性能且對(duì)前緣粗糙度敏感性低；FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風(fēng)機(jī)專用翼型將會(huì)在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。表1為對(duì)NREL翼型系列性能提高^[3]的估算。

 
    目前葉片外形的設(shè)計(jì)理論有好幾種，都是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。第一種外形設(shè)計(jì)理論是按照貝茨理論得到的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，該方法是假設(shè)風(fēng)力機(jī)是按照貝茨公式的最佳條件運(yùn)行的，完全沒(méi)有考慮渦流損失等,設(shè)計(jì)出來(lái)的風(fēng)輪效率不超過(guò)40％。后來(lái)一些著名的氣動(dòng)學(xué)家相繼建立了各自的葉片氣動(dòng)理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失,設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流流動(dòng)，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響,對(duì)葉片外形影響較小,對(duì)風(fēng)輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，研究了葉稍損失和升阻比對(duì)葉片最佳性能的影響，并且研究了風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能，是目前最常用的設(shè)計(jì)理論。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    目前大型葉片的結(jié)構(gòu)都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構(gòu)造形式^[4]。蒙皮主要由雙軸復(fù)合材料層增強(qiáng)，提供氣動(dòng)外形并承擔(dān)大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結(jié)構(gòu)，提高其抗失穩(wěn)能力，這與夾芯結(jié)構(gòu)大量在汽車上應(yīng)用類似^[5]。主梁主要為單向復(fù)合材料層增強(qiáng)，是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)。腹板為夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)主梁起到支撐作用。
    葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。目前葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要建立在IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)GL標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，要求結(jié)構(gòu)滿足靜力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和葉尖撓度要求。復(fù)合材料葉片各鋪層是交錯(cuò)鋪放的，實(shí)際初步設(shè)計(jì)時(shí)，將所有雙軸布視為一層，所有單軸布視為一層，這樣做對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能影響不大^[4]。葉片結(jié)構(gòu)鋪層是分段設(shè)計(jì)，各段厚度都不一致，應(yīng)對(duì)厚度進(jìn)行連續(xù)化處理，最終設(shè)計(jì)的各鋪層厚度還應(yīng)為各單層厚度的整數(shù)倍。