淺談大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

楊通權(quán)

摘 要：風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在發(fā)展綠色能源戰(zhàn)略下獲得突飛猛進發(fā)展，并且為了取得更好風(fēng)力發(fā)電效益，對風(fēng)電機組性能及質(zhì)量也提出嶄新要求，而風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機組關(guān)鍵組成部分，確保其設(shè)計科學(xué)合理，可以使風(fēng)電機組的整體性能得到顯著提高，并保證其獲得安全高效運行。本文結(jié)合大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計概述，從葉片外形、承載結(jié)構(gòu)、氣動平衡等方面著手，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及要點進行詳盡探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)電;葉片結(jié)構(gòu);設(shè)計方法;探討

在社會經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展背景下，人們生活水平日益提升，開展生產(chǎn)生活活動所需電力也日益增長，而我國風(fēng)能資源儲存十分豐富，開發(fā)利用也比較低，這就為風(fēng)電事業(yè)快速發(fā)展提供了廣闊空間，為有效滿足風(fēng)電市場快速增長的需求，就要進一步提高風(fēng)電設(shè)備設(shè)計制造能力，尤其是在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，作為風(fēng)電機組研發(fā)的關(guān)鍵，對其進行科學(xué)設(shè)計不僅可以保證機組安全、高效運行，還能夠?qū)︼L(fēng)電機組核心技術(shù)快速掌握，并推動風(fēng)電事業(yè)獲得進一步發(fā)展[1]。基于此，大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法展開分析和探討。

1 大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，就是風(fēng)電葉片材料選擇、結(jié)構(gòu)形式確定和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的過程，通過對這些葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計要素進行全面、綜合分析，使風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)具備較好的剛度、強度及穩(wěn)定性，具體實踐中也要結(jié)合極限強度、動力學(xué)特征、葉尖變形要求等，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確保其在實踐應(yīng)用中能夠取得良好性能，以風(fēng)電葉片材料選擇為例，操作中要盡可能的選擇鋁合金、碳纖維增強復(fù)合材料等加以應(yīng)用，涉及的內(nèi)部夾心結(jié)構(gòu)則要使用輕木、PVC等材料，以達到結(jié)構(gòu)強度、剛度要求。

2 大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1 結(jié)構(gòu)外形

結(jié)構(gòu)外形設(shè)計作為大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容，其設(shè)計質(zhì)量好壞也會對機組整體性能提升產(chǎn)生極大影響，因此需要對其引起高度重視，實踐中也可以采取威爾森、Glauert、動量葉素理論等方法，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)外形進行有效分析，若對Glauert方法加以應(yīng)用，就會對風(fēng)輪后渦流流動進行考慮，并在完成葉片結(jié)構(gòu)外形初步設(shè)計以后，對氣動性能進行修正和優(yōu)化;若對動量葉素理論方法進行運用，就需要對風(fēng)輪軸線截面與葉片氣動力之間關(guān)系進行詳細分析，以達到明確風(fēng)電葉片參數(shù)與旋翼之間相關(guān)性目的;而使用威爾森方法對風(fēng)電葉片外形進行改進和優(yōu)化，在風(fēng)電葉片氣動外形設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛[2]。

2.2 承載結(jié)構(gòu)

1）葉片構(gòu)造。在對葉片構(gòu)造進行設(shè)計時，需要結(jié)合葉片實際受到荷載情況，對結(jié)構(gòu)形式加以確定，針對空腹薄壁的葉片結(jié)構(gòu)，在荷載作用下容易出現(xiàn)變形過大、局部失穩(wěn)等情況，這時候就需要在空腹內(nèi)采取填充夾心材料、設(shè)置加強肋等措施，使結(jié)構(gòu)整體強度和剛度得到提高。實際制造過程中，多會采用葉片上下殼體、抗剪腹板獨立成型等方法，使上下殼體與抗剪腹板之間進行有效粘結(jié)，使之構(gòu)成較為完整的獨立葉片，而葉片蒙皮及主梁帽加工需要纖維鋪設(shè)與灌注同時進行，可以使葉片整體強度得到提高，并且為了降低設(shè)計難度，操作中可以對蒙皮和主梁帽進行分別設(shè)計，既能夠簡化設(shè)計，又能夠保證葉片性能[3]。另外，根據(jù)葉片展向結(jié)構(gòu)可以將其分為葉根區(qū)、過渡翼型區(qū)和完全翼型區(qū)，對這些區(qū)域進行構(gòu)造設(shè)計，需要建立受載情況、外形限制、結(jié)構(gòu)要求準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠達到葉片整體結(jié)構(gòu)性能要求。

2）葉片強度及剛度。對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)加以設(shè)計，涉及的風(fēng)電葉片都會采用復(fù)合材料，實踐中主要包含蒙皮鋪層和主梁帽鋪層2項內(nèi)容，其中葉片蒙皮主要發(fā)揮扭轉(zhuǎn)力矩作用，并可以提供氣動外形，若不考慮腹板影響，就可以將葉片視為閉口薄壁梁，并結(jié)合蒙皮任意一點單元體應(yīng)力情況，對蒙皮強度進行計算，并以此確定葉片蒙皮厚度。對主梁帽鋪層進行設(shè)計，主梁帽作為葉片承受彎曲荷載的關(guān)鍵部件，需要根據(jù)鋪層參數(shù)，對截面實際剛度進行計算，并聯(lián)合材料參數(shù)、蒙皮厚度、主梁位置、鋪層參數(shù)等，逐層求和得到相對應(yīng)的實際截面剛度，并對主梁鋪層數(shù)加以明確。而對葉片剛度加以設(shè)計，需要建立在葉片截面位移基礎(chǔ)之上，實際設(shè)計中也要對設(shè)計條件加以設(shè)定，并對截面位移實際情況進行求解，得到截面實際抗彎剛度以后，就能夠開展截面形狀設(shè)計，這一過程中也要對風(fēng)電葉片抗彎結(jié)構(gòu)尺寸進行科學(xué)確定[4]。

2.3 氣動與結(jié)構(gòu)平衡

1）影響因素。葉片氣動與結(jié)構(gòu)影響因素包含：（1）翼型厚度，風(fēng)電葉片作為具有一定厚度的殼體，并且呈現(xiàn)出從葉根至葉尖逐漸減少的特征，針對大型風(fēng)電葉片受力比較大，因此需要隊葉片翼型厚度對氣動性能造成影響加以關(guān)注，設(shè)計中對大厚度翼型加以選擇，就需要為葉片承載結(jié)構(gòu)留出足夠的空間，而葉片主梁需要布置到葉片內(nèi)部當(dāng)中，實踐中可以采用箱型、工字型方式進行操作;（2）葉片實度，在葉片數(shù)目及長度明確基礎(chǔ)上，葉片弦長就會對實度大小產(chǎn)生直接影響，為此可以采取改變?nèi)~片弦長的方式，得到不同葉片實度，并對氣動性能加以計算，以對實度對葉片最大效率產(chǎn)生的影響進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實度與氣動效率存在反比關(guān)系[5]。

2）變槳中心確定。由于葉片會受到啟動扭矩、離心力扭矩、變槳慣性力矩等作用，并且隨著變槳中心逐漸向氣動中心加以靠近，其氣動力扭矩也會不斷減少，而氣動中心與變槳中心位置處于固定狀態(tài)時，氣動扭矩大小與葉片長度氣動力存在緊密聯(lián)系，為了使葉片承受的扭矩減小，就要對變槳中心位置加以優(yōu)化，使葉片截面翼型氣動中心與截面重心盡可能的挨近，該種設(shè)計也能使葉片抗彎能力得到進一步提升[5]。

3 結(jié)語

本文是基于對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的探討，風(fēng)能作為一種清潔能源，為我國風(fēng)電事業(yè)提供了巨大發(fā)展空間，但是受到風(fēng)電事業(yè)起步較晚、核心技術(shù)掌握不足等因素影響，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電效果不夠理想，需要加強風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，實踐中可以從結(jié)構(gòu)外形、承載結(jié)構(gòu)、氣動結(jié)構(gòu)平衡等方面入手，保證風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理，提高風(fēng)電機組整體性能及質(zhì)量，使之更好滿足風(fēng)電市場實際需求，并帶動風(fēng)電事業(yè)快速持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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[2]張滿闖.一種新型風(fēng)電葉片吊裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析[J].工程機械，2020，51（1）：3-6.

[3]劉奇星，鄭永，高康，等.大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[J].中國機械，2015，（8）：21-22.

[4]徐宇，廖猜猜，張淑麗，等.大型風(fēng)電葉片設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國科學(xué)（物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)），2016，46（12）：1-10.

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