風(fēng)力機(jī)鈍尾緣葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其特性研究

徐立軍，徐 蕾，秦志文，張 磊，楊 科

(1.新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091)

(2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

風(fēng)力機(jī)鈍尾緣葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其特性研究

徐立軍，徐 蕾，秦志文，張 磊，楊 科

(1.新疆工程學(xué)院 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091)

(2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

風(fēng)力機(jī)的葉片要求具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，在取得最大風(fēng)能利用系數(shù)的同時(shí)具有最小的質(zhì)量，同時(shí)要求風(fēng)力機(jī)具有充足的安全性和穩(wěn)定性。討論了風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，基于中國科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的100kW鈍尾緣實(shí)驗(yàn)葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)，對葉片質(zhì)量、剛度分布以及屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行了重點(diǎn)研究。最后，通過塔尖間隙計(jì)算，分析了葉片運(yùn)行的安全性。

風(fēng)力機(jī)；葉片；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剛度；穩(wěn)定性

大型葉片的造價(jià)非常昂貴，研究中的新概念及技術(shù)若直接用于制造全尺寸的葉片會有極大的風(fēng)險(xiǎn)。而縮小的風(fēng)洞能夠容納的葉片尺寸較小，許多因素導(dǎo)致葉片模型無法得到與原型相似的幾何外形及流動(dòng)性。因此，建立一種具有一定規(guī)模、能代表大型風(fēng)電葉片特性的小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)葉片，對大型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)研發(fā)，完善大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)開發(fā)平臺，具有重要意義。

為此，中國科學(xué)院工程熱物理研究所國家能源風(fēng)電葉片研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心參考了華人風(fēng)電科技有限公司的100kW風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)制造了100kW鈍尾緣實(shí)驗(yàn)葉片。所謂鈍尾緣是應(yīng)用于葉片內(nèi)側(cè)提高葉片結(jié)構(gòu)特性的一種方式，可在不增加葉片質(zhì)量的前提下提高葉片的強(qiáng)度。

本文對該鈍尾緣實(shí)驗(yàn)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了討論，對葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 葉片設(shè)計(jì)理論

風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)包括：優(yōu)良的空氣動(dòng)力外形，以從風(fēng)能中獲取盡可能多的能量；足夠的強(qiáng)度和剛度，使葉片能承受足夠大的載荷；良好的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，以避免葉片發(fā)生共振和顫振；質(zhì)量盡量小，以降低重力載荷；成本盡量低[1]。

根據(jù)機(jī)組形式確定葉片的總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合葉片載荷設(shè)計(jì)參數(shù)、葉片材料及技術(shù)要求進(jìn)行氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定葉片各參數(shù)[2]。葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是以年發(fā)電量最大化為目標(biāo)，確定葉片的幾何外形；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以滿足葉片的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及動(dòng)特性為目標(biāo)，進(jìn)行葉片材料、結(jié)構(gòu)形式等的設(shè)計(jì)[3]。

葉片設(shè)計(jì)的基本流程如圖1所示。

1.1葉片翼型選擇

風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率與空氣流過葉片所產(chǎn)生的升力相關(guān)，因此葉片翼型直接影響到風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率[4]，尤其高性能后翼型設(shè)計(jì)對于大直徑風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率具有非常重要的意義。風(fēng)力機(jī)葉片工作時(shí)雷諾數(shù)很低，需對其運(yùn)行特性進(jìn)行充分考慮和計(jì)算后才能進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-6]。傳統(tǒng)的定槳距葉片通常采用航空飛行器的翼型，隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，國外一些機(jī)構(gòu)開發(fā)了很多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用翼型,以提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，延長葉片使用壽命，如美國國家航空咨詢委員會的NACA系列翼型、瑞典航空研究院的FF-W系列翼型、丹麥RISφ翼型、美國NREL的S×××翼型以及荷蘭Deft大學(xué)的DU翼型。

1.2葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括根部聯(lián)接設(shè)計(jì)、主梁設(shè)計(jì)、蒙皮夾芯設(shè)計(jì)、腹板鋪層設(shè)計(jì)以及材料鋪設(shè)方向和厚度設(shè)計(jì)[7-8]。根部聯(lián)接設(shè)計(jì)一般采用預(yù)埋金屬件或螺栓形式；主梁是葉片所受載荷的主要承載機(jī)構(gòu)，一般采用型鋼并用單向復(fù)合材料層增強(qiáng)；蒙皮一般采用雙軸復(fù)合材料增強(qiáng)，來承擔(dān)葉片大部分的剪切載荷，并決定葉片的氣動(dòng)外形，其中葉根區(qū)域因承受彎曲和疲勞載荷較大， 通常采用強(qiáng)度較高的翼形蒙皮結(jié)構(gòu)，而對于葉尖區(qū)域的氣動(dòng)性能要求較高，常采用薄翼形結(jié)構(gòu)；因葉片后緣比較寬，故通常采用夾芯結(jié)構(gòu)以提高其抗失穩(wěn)能力；腹板也采用夾芯結(jié)構(gòu)以支撐主梁。

現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)鋪層非常復(fù)雜，用理論方法分析計(jì)算非常困難，因此在進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)分析時(shí)常采用ANSYS、NASTRAN 和ABAQUS等商業(yè)有限元分析軟件。有限元法更多情況下用于對設(shè)計(jì)的葉片進(jìn)行模擬建模分析，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)修正和校核。葉片設(shè)計(jì)與模擬建模分析必須交互進(jìn)行，每一步設(shè)計(jì)完成后，必須重建有限元分析模型進(jìn)行鋪層中的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算,然后根據(jù)分析結(jié)果再返回設(shè)計(jì)，更改鋪層方案，再重新進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。

2 實(shí)驗(yàn)葉片運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)

葉片設(shè)計(jì)參數(shù)參考了華人風(fēng)電科技有限公司提供的100kW風(fēng)力機(jī)葉片的相關(guān)參數(shù)，在葉片最大弦長處采用了鈍尾緣翼型CAS-W2-450，葉尖采用NACA18翼型，其余翼型全部采用DU系列翼型。設(shè)計(jì)中利用FOCUS進(jìn)行初步載荷計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)，至少經(jīng)過5次修改，最終確定了該方案。最終葉片的氣動(dòng)載荷是以FOCUS計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。葉片作為調(diào)試及首次實(shí)驗(yàn)對象，對最大功率系數(shù)及年發(fā)電量沒有要求。

設(shè)計(jì)葉片時(shí)所需考慮的因素包括風(fēng)場類型、機(jī)組基本參數(shù)及限制條件3個(gè)方面，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及載荷計(jì)算按照GL∏A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由于葉片試驗(yàn)臺的建設(shè)目的不是獲得最大的年發(fā)電量，而是得到葉片的實(shí)際功率系數(shù)曲線及葉片在實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，因此不需要考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際風(fēng)況，風(fēng)場類型按照GL∏A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

葉片采用3葉片結(jié)構(gòu)，葉根彎矩的最大值為125.3kN·m，變槳制動(dòng)力矩為8.81kN·m，變槳力矩最大值為122kN·m，單片葉片質(zhì)量243kg，葉片質(zhì)心位置距葉根為2.63m；葉根法蘭螺栓分布圓直徑350mm，螺栓為M20×140mm，螺栓旋出長度100mm，螺栓等級10.9；葉尖最大偏移量限制在1.7m以內(nèi)。

葉片壓力面與吸力面為對稱鋪層，配重盒位于葉片中部5m位置，葉片壓力面與吸力面各有一個(gè)梁帽，剪切腹板位于梁帽中心線位置，處于葉片展向1 000mm至8 000mm之間。葉片主要使用3種類型的玻璃纖維增強(qiáng)織物和1種夾芯材料，其在葉片中的分布分別為：(1)梁帽、尾緣增強(qiáng)鋪層為1 200g/m2單軸向布；(2)蒙皮、腹板外側(cè)鋪層、濕法處理及其他局部補(bǔ)強(qiáng)鋪層均為1 000g/m2雙軸向布；(3)葉根螺栓套上(下)增強(qiáng)鋪層為1 200g/m2三軸向布；(4)夾芯結(jié)構(gòu)的芯材為PVC泡沫。

葉片采用單梁單腹板結(jié)構(gòu)，梁帽寬度有400mm和200mm 2種，在葉尖處寬度變窄，并沿著展向布置，吸力面和壓力面尺寸相同，通過2個(gè)與梁帽相連的抗剪腹板，將葉片壓力面殼和吸力面殼支撐起來。葉殼主要由雙向布4545R、芯材、梁帽組成，在葉片尾緣做了增強(qiáng)處理，避免發(fā)生屈曲。

3 實(shí)驗(yàn)葉片結(jié)構(gòu)特性分析

3.1質(zhì)量和剛度分析

將葉片如圖2所示劃為若干段，對葉片進(jìn)行分段積分就可求得葉片的計(jì)算質(zhì)量。

葉片質(zhì)量m的計(jì)算公式為：

葉片總體質(zhì)量分布如圖3所示(因保密需要，圖中某些參數(shù)做了無量綱化處理)。

經(jīng)計(jì)算，葉片總體質(zhì)量為245kg,質(zhì)量中心距離葉根2.83m。經(jīng)加工制造出的葉片實(shí)際質(zhì)量為255kg，與計(jì)算值誤差很小。

葉片剛度計(jì)算是指葉片各截面在揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)3個(gè)方向的剛度計(jì)算。其中揮舞、擺振方向是彎曲剛度[9]。葉片如果沒有足夠的彎曲剛度，尤其是揮舞方向的剛度，在陣風(fēng)和極限載荷作用下運(yùn)行時(shí)，碰到塔架造成破壞的可能性很大，因此在進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)時(shí)彎曲剛度的計(jì)算非常重要。

截面的彎曲剛度定義為截面所受的彎矩與該彎矩下截面單位長度旋轉(zhuǎn)角度的比值,可表示為：

式中：E為截面等效彈性模量；I為截面等效慣性矩；M為截面彎矩；θ為扭矩T作用下截面扭轉(zhuǎn)角；z為截面單位長度。

扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算公式為：

式中：G為彈性剪切模量；J為等效積慣性矩；T為葉片所受扭矩。

葉片揮舞、擺振剛度分布如圖4、圖5所示，葉片扭轉(zhuǎn)剛度分布如圖6所示。

由圖4～圖6可以看出，由于葉根與輪轂鉸接

處鋪層較厚，其擺振、揮舞與扭轉(zhuǎn)剛度在半徑為1.3m左右處達(dá)到最大值，隨著延展向質(zhì)量分步逐漸減小，剛度分布迅速減小，至葉尖處應(yīng)力主要由主梁承受，剛度達(dá)到最小值。

3.2屈曲穩(wěn)定性分析

本文采用FOCUS5中的平板屈曲分析程序結(jié)合fistrip對葉片各截面的屈曲安全因子進(jìn)行計(jì)算，從而分析葉片的屈曲穩(wěn)定性。計(jì)算過程中，考慮了所有的極限載荷例子，材料的安全因子依據(jù)GL2010標(biāo)準(zhǔn)選取，見表1。

因?yàn)樵谇?jì)算時(shí)沒有考慮材料安全因子，所以所計(jì)算的安全因子要大于2.04(1.35×1.1×1.1×1.25)。圖7給出了屈曲安全因子的分布，均大于2.04，葉片的屈曲穩(wěn)定性校核是安全的。距葉根4m處屈曲安全因子最小，在葉片尾緣處最易出現(xiàn)屈曲不穩(wěn)定。

3.3最小塔尖間隙

通過對各個(gè)載荷工況進(jìn)行計(jì)算，得出最小葉尖與塔體間隙，見表2。表中“A”為最小葉尖與塔體間隙，“B”為空載下葉尖與塔體間隙，“C”為GL標(biāo)準(zhǔn)所允許的最小葉尖與塔體間隙。由表2可以看出，A值大于C值，所以該葉片安全。

4 結(jié)束語

鈍尾緣實(shí)驗(yàn)葉片剛度分布滿足設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的簡支梁理論中的剛度和載荷關(guān)系。葉片樣品完成了極限載荷、疲勞載荷、屈曲穩(wěn)定性等的校核，均滿足要求，在實(shí)驗(yàn)中葉片顯示出了較好的局部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及運(yùn)行安全性，整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)的尖尾緣葉片。

分析結(jié)果顯示，葉片中段的尾緣附近容易發(fā)生極限破壞和屈曲失穩(wěn)，葉片中段最大厚度處容易出現(xiàn)疲勞破壞，對葉片進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)需重點(diǎn)考慮這些部位。

[1] 馬志勇．大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2011．

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

[3] 苗曉明，柳亦兵．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

[4] 姚建忠，寇生中．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展概述[J]．機(jī)械制造，2012(8)：45-49．

[5] 牛山泉．風(fēng)能技術(shù)[M]．劉薇，李巖，譯.北京：科學(xué)出版社，2009．

[6] 郭新生．風(fēng)能利用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

[7] 顧榮蓉，蔡新，朱杰，等．水平軸風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述[J]．能源技術(shù)，2010，31(4)：213-218．

[8] 李軍向，薛忠民，王繼輝，等．大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．玻璃鋼/ 復(fù)合材料，2008(1)：48-52．

[9] 李軍向．大型風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性能計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，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

徐立軍(1978—)，男，山東青島人，新疆工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷檢測及控制。

TK83

A

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