復(fù)合材料選材對風(fēng)電葉片氣動設(shè)計的影響研究

丁惢 李成良 毛曉娥

葉片作為風(fēng)電機組捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其設(shè)計開發(fā)的流程通常是先進行氣動外形設(shè)計，再開展復(fù)合材料選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后對設(shè)計出的葉片進行動態(tài)響應(yīng)分析。隨著風(fēng)電機組風(fēng)輪尺寸的增加，葉片大型化速度加快，這一趨勢讓風(fēng)電葉片的設(shè)計過程迭代難度增加，復(fù)合材料選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計與氣動外形設(shè)計的耦合性增強。因此，在通常設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，對該耦合性進行研究成為大型風(fēng)電葉片開發(fā)中重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。

當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于葉片設(shè)計開發(fā)的復(fù)合材料選材研究，主要關(guān)注復(fù)材力學(xué)性能對葉片結(jié)構(gòu)剛度和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件設(shè)計影響，或者復(fù)材選材對葉片結(jié)構(gòu)成本影響；關(guān)于葉片氣動設(shè)計的研究，主要關(guān)注針對結(jié)構(gòu)參數(shù)化目標(biāo)的氣動設(shè)計數(shù)值化開發(fā)流程，或研究氣動外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化對疲勞壽命的影響，基于疲勞壽命形成數(shù)值化開發(fā)流程，或從載荷協(xié)調(diào)性入手，研究氣動外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計對載荷的影響，基于載荷目標(biāo)形成數(shù)值化開發(fā)流程。這些開發(fā)影響因素的研究，通常更注重氣動外形與結(jié)構(gòu)形式對某一特定設(shè)計目標(biāo)的影響，或者復(fù)合材料選材對力學(xué)性能或材料成本的影響，基本將復(fù)合材料選材與氣動外形開發(fā)拆分為兩個較獨立的設(shè)計過程。

復(fù)合材料選材不同是否會影響葉片的氣動設(shè)計以及不同的選材如何影響葉片的氣動外形，是風(fēng)電葉片設(shè)計開發(fā)耦合性研究中較少被關(guān)注的部分。為此，本文首先從葉片氣動設(shè)計開發(fā)的角度，根據(jù)風(fēng)電葉片的外形特點，進行了沿兩個維度的設(shè)計分區(qū)；進而根據(jù)復(fù)合材料選材設(shè)計與葉片氣動設(shè)計對設(shè)計分區(qū)的影響，以及設(shè)計分區(qū)對風(fēng)電葉片發(fā)電性能與重量的影響，參考失效模式與影響分析（FMEA）中影響因素的嚴重度定義，對設(shè)計分區(qū)的目標(biāo)性能和設(shè)計影響進行了分析，選出復(fù)合材料選材對葉片氣動設(shè)計影響度高的區(qū)域，對影響因素進行了參數(shù)化定義，并據(jù)此對兩款80m左右長度的葉片進行了不同復(fù)合材料選材和葉片氣動設(shè)計迭代研究，分析其對葉片發(fā)電性能和重量的影響；最終得到復(fù)合材料選材對大型葉片（80m長度級別）氣動設(shè)計開發(fā)影響的定量分析結(jié)果。

氣動外形分區(qū)與材料選材

風(fēng)電葉片的外形與基本選材情況如圖1和圖2 所示，圖2中的玻纖層合板材料是泛指，玻纖規(guī)格類型根據(jù)玻纖使用位置不同而變化。

可以看出，風(fēng)電葉片的外形沿長度方向依次為圓柱段、翼型段、葉尖段，沿橫向其實是氣動翼型的形狀。復(fù)合材料沿著兩個維度連續(xù)分布，對于不同的位置與部件，結(jié)構(gòu)名稱、功能與常用選材如圖3和圖4所示：沿長度方向的復(fù)合材料選材是一致的，但其厚度通常沿長度變化；沿橫向的復(fù)合材料選材存在較大變化，即使選材一致，厚度也會沿橫向變化。因此，可以簡單得出葉片氣動設(shè)計關(guān)鍵輸入—— 翼型，與復(fù)合材料選材密切相關(guān)，且對葉片的性能有較大的影響。

首先根據(jù)翼型的定義對葉片沿橫向截面分區(qū)，如圖5所示，沿著翼型弦長從前緣到后緣依次為A（前緣區(qū)）、B（最大厚度區(qū)）、C（后緣過渡區(qū)）、D（后緣區(qū)）。

圖6 為系列葉片（長度50～80m）歸一化相對厚度分布，可以看出從葉根相對厚度為100%的圓柱到葉尖相對厚度小于20%的薄翼型，葉片的相對厚度分布整體趨勢一致。將其作為長度方向分區(qū)的參考，如圖7所示，整體上可以沿著葉片長度分為葉根區(qū)（圓柱段為主）、過渡區(qū)、中部區(qū)（相對厚度30%左右的區(qū)域）以及葉尖區(qū)，依次以“1、2、3、4”標(biāo)記。

根據(jù)以上對橫向和長度兩個方向的分區(qū)，如表1所示，得到葉片氣動外形的分區(qū)矩陣（橫向截面分區(qū)×長度方向分區(qū)）。

這個分區(qū)矩陣結(jié)合圖3和圖4所示的葉片復(fù)合材料選材，可以得到葉片外形分區(qū)功能與選材列表（見表2）。

其中，“外型”功能主要指該區(qū)域的氣動外形形成功能，“傳載”和“承載”主要指該區(qū)域的結(jié)構(gòu)力學(xué)功能；“常見主要選材”指該區(qū)域常用的選材。需要指出，葉片的成型工藝與材料體系不盡相同，本文僅針對采用國內(nèi)最常見的熱固性樹脂基玻璃纖維增強材料體系、真空灌注工藝成型的葉片進行研究。

參數(shù)化影響判定

從系統(tǒng)工程角度，參考對設(shè)計產(chǎn)生關(guān)鍵指導(dǎo)作用的質(zhì)量工具FMEA（失效模式與效應(yīng)分析）中的評分機制，對以上分區(qū)的功能定義影響嚴重度3、6、9因子，分別對應(yīng)葉片的發(fā)電功能與重量性能；對選材定義影響關(guān)聯(lián)度3、6、9因子，分別對應(yīng)氣動設(shè)計與復(fù)合材料選材設(shè)計過程；總體組合可以形成參數(shù)化影響判定表（表3）。其中：設(shè)計目標(biāo)影響因子，即影響因子1，等于影響因素嚴重度乘積；設(shè)計輸入影響因子，即影響因子2，等于影響因素關(guān)聯(lián)度乘積；區(qū)域影響因子=設(shè)計輸入影響因子/設(shè)計輸出影響因子=影響因子2/影響因子1；區(qū)域判定條件為，先判定影響因子1數(shù)值較大的區(qū)域，即這些區(qū)域?qū)︼L(fēng)電葉片設(shè)計目標(biāo)影響較大；再判定影響因子2數(shù)值較大的區(qū)域，即這些區(qū)域?qū)︼L(fēng)電葉片設(shè)計輸入的影響較大；選出兩個條件都滿足且影響因子大于1的區(qū)域，代表相應(yīng)區(qū)域的選材對功能的影響更甚，將其選為本文的目標(biāo)研究區(qū)域。

詳細分析表3可以得到，區(qū)域2D（過渡后緣區(qū)）、區(qū)域3B（葉片中部主梁區(qū)）以及3C（葉片中部后緣區(qū)）對葉片發(fā)電性能和重量影響較大，且區(qū)域?qū)?yīng)的設(shè)計輸入影響中，復(fù)合材料選材和葉片氣動設(shè)計的耦合影響是最大的。

關(guān)鍵區(qū)參數(shù)影響評估

針對上述的關(guān)鍵區(qū)，本文對某款80m級別葉片進行了對應(yīng)設(shè)計參數(shù)的調(diào)整，并對影響進行了評估。考慮保密原因，本文使用的參數(shù)均經(jīng)過歸一化處理，且僅給出性能對比的百分比。

在風(fēng)電葉片的設(shè)計開發(fā)中，葉片的剛度分布來源于三個方面：材料性能輸入、幾何外形輸入與結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計輸入。針對關(guān)鍵區(qū)選材影響的表述邏輯為：首先，采用邊界相同的結(jié)構(gòu)鋪層，或者達到同等剛度水平的等效結(jié)構(gòu)鋪層，盡力消除結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計的影響；然后，根據(jù)不同的材料性能輸入，研究要實現(xiàn)同等的葉片剛度分布，對葉片幾何外形輸入有何要求；最后，研究這樣的幾何外形要求如何影響葉片的氣動設(shè)計。

一、過渡后緣區(qū)

過渡區(qū)通常為相對厚度超過40%的翼型，翼型后緣區(qū)的選材，對過渡區(qū)的截面剛度影響大，相應(yīng)區(qū)域的氣動翼型選型，作為截面剛度的幾何輸入，也需與選材結(jié)合考慮。

后緣區(qū)如果采用常規(guī)的玻纖增強層合板粘接形式，葉片采用常規(guī)尖尾緣翼型（如圖8中的DU00-W2-401），因后緣部分厚度有限，難以提供所需的截面擺振和扭轉(zhuǎn)剛度。同樣的弦長下，如果后緣采用玻纖層合板夾泡沫芯材（如圖9），則提供剛度的同時還可以提供抗屈曲結(jié)構(gòu)形式（如圖10）。因此，可以采用如圖8中的DU-A-400-050鈍后緣翼型。

對80m葉片采用如圖8所示的兩種不同翼型，以同樣的設(shè)計目標(biāo)進行氣動外形設(shè)計，得到如圖11所示的弦長分布。同等長度的葉片，弦長代表了葉片的大小，可以看出采用夾心結(jié)構(gòu)后緣，除了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以在一定程度上減小葉片的“尺寸”，也就是減少材料用量，降低葉片成本。

二、葉中主梁區(qū)

葉中的主梁區(qū)域選材決定了葉片的剛度與承載。以80m葉片設(shè)計為例，如圖12所示，同樣氣動外形下，主梁為碳纖葉片的葉中揮舞剛度比玻纖主梁葉片高1.5～2倍。

在葉片設(shè)計開發(fā)中，排除結(jié)構(gòu)鋪層影響，材料力學(xué)性能與幾何外形都是設(shè)計目標(biāo)剛度的重要輸入：如果選取玻纖，材料可提供的剛度有限，對幾何外形的絕對厚度就有限制要求；如果選取碳纖，則材料可提供足夠的剛度，對幾何外形的限制要求減小，可以給幾何外形提供更多設(shè)計空間，即氣動翼型有更多選擇空間。對同樣是30%相對厚度的氣動翼型（幾何外形見圖13，氣動性能見圖14），翼型A的氣動性能更優(yōu)。但是，在80m級別葉片設(shè)計開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，如果采用玻纖主梁體系且滿足葉片設(shè)計剛度需求，應(yīng)選用翼型B；如果采用碳纖體系，則可以采用氣動性能更優(yōu)的翼型A。

主梁區(qū)的選材對氣動外形設(shè)計有重要的影響，對主梁為碳纖的80m級別葉片，按翼型A進行葉片氣動設(shè)計，在同等葉片幾何分布下，靜態(tài)發(fā)電量可以提升約3%。

三、葉中后緣區(qū)

葉中后緣區(qū)對葉片的生產(chǎn)制造有巨大的影響，合理的幾何外形過渡和復(fù)合材料選材可以有效降低葉片粘接難度與材料使用量。如圖15所示，粘接膠區(qū)域形狀復(fù)雜，難以進行精確的數(shù)值模擬。

通常后緣粘接部分的選材為單向玻纖復(fù)合材料與PVC芯材，也可以考慮拉擠單向玻纖板材與PET芯材結(jié)合的形式。如果選擇后者，則對幾何外形的后緣區(qū)域型面平整性有更高要求。以80m葉片為例，如果選擇不同材料，在進行氣動設(shè)計時，可以通過后緣修型迭代實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)AEP/kg在區(qū)域調(diào)整中的優(yōu)化率超過2%。

另外，此區(qū)域的復(fù)合材料選材也對葉片的彈性中心和氣動中心間距位置有重要影響，合理的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以對目前風(fēng)電葉片開發(fā)中關(guān)注的氣彈穩(wěn)定性帶來較大提升。

結(jié)論

本文通過對葉片外形進行分區(qū)，為復(fù)合材料選材和葉片氣動設(shè)計的研究提供了一種新的思路，通過借鑒影響因子嚴重度與關(guān)聯(lián)度的思想，定義出了葉片復(fù)合材料選材對氣動設(shè)計影響的關(guān)鍵區(qū)，分別是：區(qū)域2D（過渡后緣區(qū)）、區(qū)域3B（葉片中部主梁區(qū)）以及3C（葉片中部后緣區(qū)）。這些關(guān)鍵區(qū)不但是葉片關(guān)鍵性能的重點影響區(qū)，還是復(fù)合材料選材與氣動設(shè)計強耦合的區(qū)域。針對某款80m長度葉片，從選出的三組設(shè)計分區(qū)中，調(diào)整關(guān)鍵影響參數(shù)并評估其對葉片性能的影響。對風(fēng)電葉片這種大型化進程快速的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，除了考慮單向的外形-材料-結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，還需考慮復(fù)合材料選材對氣動設(shè)計的重點影響區(qū)域，以此可以有效指導(dǎo)大型葉片的開發(fā)。

（作者單位：中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司）