風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

衣峻鋒

摘 要：風(fēng)能作為相對(duì)成熟且具有開發(fā)價(jià)值的清潔能源，世界各國(guó)對(duì)風(fēng)能利用方式與發(fā)電技術(shù)格外重視。風(fēng)能利用的核心是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中最常用的類型是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要構(gòu)成部件，直接影響風(fēng)能利用效率。因此做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。文章中作者主要分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片設(shè)計(jì)；優(yōu)化措施

引言

受到科技水平與制造技術(shù)的限制，我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造依舊沒有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵部件依舊需要從國(guó)外進(jìn)口，造成設(shè)備成本偏高，因此實(shí)際中有必要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，提高我國(guó)研發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)能力，降低發(fā)電成本，促進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提高。文章中作者以葉片設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，闡述具體的優(yōu)化措施，提高風(fēng)力發(fā)電效率。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝置構(gòu)成較為復(fù)雜，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)及控制設(shè)備等，主要功能在于將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能。其中風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要構(gòu)成部分，在風(fēng)力作用下風(fēng)輪迅速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。實(shí)際中依據(jù)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)以及氣流中風(fēng)輪的位置，將風(fēng)輪分成水平軸與垂直軸兩類。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪正常工作時(shí)，圍繞水平軸不斷旋轉(zhuǎn)，風(fēng)向與旋轉(zhuǎn)平面相互垂直，葉片徑向安裝在風(fēng)輪上且垂直于旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)葉片與旋轉(zhuǎn)平面保證一定程度的夾角，其構(gòu)成如圖1所示。文章中主要以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，展開相關(guān)論述。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料分析

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料為帆布與木質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為以復(fù)合材料為主。復(fù)合材料由兩種或以上的材料構(gòu)成，以某一種原料為基礎(chǔ)，采用另外一種材料增加機(jī)體性能，充分滿足實(shí)際中的各項(xiàng)需求。選擇復(fù)合材料的時(shí)候，需要充分考慮機(jī)體與增強(qiáng)體材料的作用，確保葉片使用性能。目前樹脂與增強(qiáng)材料共同構(gòu)成的葉片是主要的葉片來源。

樹脂價(jià)格極低且具備良好工藝性能，中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造過程中此種葉片具有顯著優(yōu)勢(shì)。但其缺點(diǎn)也比較明顯，就是固化過程中收縮率大、成型過程存在毒性與氣味等。這點(diǎn)來說環(huán)氧樹脂有著更好的力學(xué)性能與尺寸穩(wěn)定性，強(qiáng)耐腐蝕性，但生產(chǎn)成本偏高，因此實(shí)際中并沒有廣泛應(yīng)用。

常用的葉片增強(qiáng)材料有三種：玻璃纖維、碳纖維及兩者混合的混雜材料。（1）玻璃纖維。作為典型的無機(jī)非金屬材料，玻璃纖維性能優(yōu)越，有著絕緣性、高強(qiáng)度、保溫性及柔軟性，與樹脂組合形成良好的結(jié)構(gòu)用材；（2）碳纖維。作為無機(jī)高分子纖維有著碳材料的特性，還有著其他優(yōu)勢(shì)，比如體積小、質(zhì)量輕及導(dǎo)電性能等，均衡風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率，促進(jìn)風(fēng)能利用效率的提高；（3）兩者混合的混雜材料?，F(xiàn)階段風(fēng)電葉片長(zhǎng)度與要求不斷提高，采用混雜材料促進(jìn)葉片強(qiáng)度的提高，降低葉片自重與成本造價(jià)，在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，需要從葉型選擇開始，有效控制葉片設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高發(fā)電效率。

3.1 設(shè)計(jì)理論分析

葉片作為主要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接與發(fā)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行效率相連，因此需要有意識(shí)提高葉片設(shè)計(jì)水平與質(zhì)量，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步完善。風(fēng)力電阻葉片部件關(guān)鍵技術(shù)較多，主要有葉片結(jié)構(gòu)、葉片材料及設(shè)計(jì)理論，其中風(fēng)電機(jī)組最核心的部分包括葉片翼型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式。葉片設(shè)計(jì)中包括很多內(nèi)容：翼型設(shè)計(jì)、幾何參數(shù)、葉片載荷及電氣自動(dòng)化等，屬于典型的綜合性一體技術(shù)，影響發(fā)電機(jī)組工作性能。

除此之外，風(fēng)電機(jī)組依靠葉片捕獲風(fēng)能，葉片設(shè)計(jì)過程中綜合考慮系統(tǒng)因素，包括質(zhì)量、工藝及離心力等，這些內(nèi)容都需要格外重視；后續(xù)實(shí)踐中嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行；葉片工作狀態(tài)下要求表面光滑、流線型，減少空氣摩擦阻力，并將潤(rùn)滑油持續(xù)添加在葉輪與軸承中，考慮迎風(fēng)狀態(tài)時(shí)的影響。

3.2 選擇合適葉型

葉片處于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組前段，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重要，主要功能涉及機(jī)組鋪貨風(fēng)能功率容量及后端機(jī)械能供電，通常在選擇時(shí)需要考慮合適的方法。

Betz直接研究風(fēng)輪工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)化效率將其作為一元定常流動(dòng)理論的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上勾勒出葉片的簡(jiǎn)單外形，以仿真模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際中理論效果很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)續(xù)航能力較弱，不具備實(shí)際操作價(jià)值；學(xué)者Glauert以葉素理論為基礎(chǔ)，通過葉片外形設(shè)計(jì)，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。但并沒有考慮機(jī)組效率受到翼型阻力與葉片磨損的影響，這就造成無風(fēng)狀態(tài)下外形設(shè)計(jì)不受影響，但處于迎風(fēng)狀態(tài)下，會(huì)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能產(chǎn)生直接影響。這兩種理論都存在一定缺陷，因此實(shí)際中通常綜合兩種理論，實(shí)際中以Glauert作為基礎(chǔ)采用Wilson理論，采用一定優(yōu)化措施，這是風(fēng)能發(fā)電機(jī)組常用的方法。選擇葉片翼型特別重要，這是因?yàn)闅鈩?dòng)性能直接影響機(jī)組使用壽命與特性，影響風(fēng)能利用系數(shù)。

3.3 修正啟動(dòng)能量損失

風(fēng)電機(jī)組處于迎風(fēng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)需要同時(shí)承受自重、旋轉(zhuǎn)離心力及空氣動(dòng)力，葉片旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、揮舞等方式的振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)狀態(tài)造成葉片與軸承間出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，葉片旋轉(zhuǎn)平面的彎曲振動(dòng)直觀表現(xiàn)為擺振，這些交織作用影響下系統(tǒng)慢慢趨于穩(wěn)定，一旦各項(xiàng)平衡受力中出現(xiàn)變化，葉片磨損度增加，影響葉片使用壽命，情況嚴(yán)重時(shí)直接對(duì)軸承造成破壞。軸承旋轉(zhuǎn)速率受到這類因素的影響，直接損失大量氣動(dòng)能量，氣動(dòng)力學(xué)是需要重點(diǎn)考慮的問題。設(shè)計(jì)葉片時(shí)裝置上存在扭角，弱主軸與葉片旋轉(zhuǎn)平面相互垂直，主軸葉片彎曲勢(shì)必造成相鄰主軸的彎曲，系統(tǒng)穩(wěn)定不受揮舞振動(dòng)與擺振的影響；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，扭轉(zhuǎn)載荷不足，葉片設(shè)計(jì)受到扭曲承受能力的影響，確保自然頻率遠(yuǎn)超激振頻率。

4 結(jié)束語

總而言之，我國(guó)有著豐富的風(fēng)能資源，風(fēng)電技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，加上風(fēng)能發(fā)電技術(shù)符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此做好相關(guān)研究工作具有現(xiàn)實(shí)意義。文章中作者主要探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

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