風(fēng)力機(jī)葉片仿生設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

趙樹(shù)萍

(西安交通工程學(xué)院，西安 710300)

0 引 言

葉片是風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換的主要部件，同時(shí)也是主要的承載部件，其結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和性能的優(yōu)劣決定著機(jī)組是否能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前風(fēng)力機(jī)在朝著大型化和海上化的趨勢(shì)發(fā)展，葉片在長(zhǎng)期不停運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)需要承受各種復(fù)雜的載荷，加上葉片的設(shè)計(jì)壽命不得低于20年，其必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，避免振動(dòng)失穩(wěn)并不得產(chǎn)生過(guò)大的噪聲。且葉片成本占到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電總成本的1/4到1/3左右，因此葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)風(fēng)力機(jī)進(jìn)一步發(fā)展尤為重要。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展

風(fēng)力機(jī)葉片在大型化，柔性化的同時(shí)，葉片技術(shù)隨著材料學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也在不斷進(jìn)步。葉片材料由最初的木材和帆布到后來(lái)的金屬，一直發(fā)展到具有高強(qiáng)度和低模量的玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料。風(fēng)力機(jī)葉片翼型由最初的選用航空翼型到設(shè)計(jì)專用翼型以改善葉片氣動(dòng)外形來(lái)提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能的捕獲效率。為了提高葉片的捕風(fēng)效率，翼型還在不斷地被優(yōu)化，如劉雄等通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到一種具有高升阻比、低噪聲水平的風(fēng)力機(jī)翼型[1]。

風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)也由實(shí)心發(fā)展為蒙皮—主梁式的空心結(jié)構(gòu)，為降低單位發(fā)電成本，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要有兩種途徑：一是降低葉片質(zhì)量；二是提高葉片氣動(dòng)效率，即葉片以最小的質(zhì)量獲得最大的風(fēng)能捕獲效率，要提高氣動(dòng)效率葉片必須在多種風(fēng)載情況下均具有良好的氣動(dòng)性能。目前各國(guó)學(xué)者主要通過(guò)分段設(shè)計(jì)緩解葉根部的巨大載荷實(shí)現(xiàn)葉片的增長(zhǎng)減重與多葉素局部設(shè)計(jì)改變氣動(dòng)外形以改善葉片的氣動(dòng)性能，但這兩類方法都具有一定的局限性，前者分段連接處對(duì)氣動(dòng)性能會(huì)造成一定的損失，后者需要在葉片主體上連接局部附加結(jié)構(gòu)，由于附加結(jié)構(gòu)要承受相當(dāng)大的氣動(dòng)力，連接方式是一大難點(diǎn)。

2 風(fēng)力機(jī)葉片仿生設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

仿生學(xué)的主要任務(wù)是研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異性能產(chǎn)生的機(jī)理，并把它抽象為數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用到實(shí)際工程中。風(fēng)力機(jī)葉片的外形和工作環(huán)境與植物的葉片以及鳥(niǎo)類的羽翼具有一定的相似性，這些生物在自然環(huán)境中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，一些植物能在颶風(fēng)等惡劣條件下生存，而在空中飛行的一些鳥(niǎo)類能巧妙地利用氣流實(shí)現(xiàn)高效飛行且具有低阻和低噪聲等特性，正是這些現(xiàn)象為風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的思考，仿生結(jié)構(gòu)在風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成為一個(gè)重要的研究方向。

目前仿照抗風(fēng)型植物葉片結(jié)構(gòu)的仿生主要是汲取其輕質(zhì)高強(qiáng)度剛度的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片材料鋪層使之柔性增加，承受復(fù)雜多變風(fēng)載的能力提高，進(jìn)而提高風(fēng)能的利用率。劉旺玉等人參照葉脈的中軸圖式對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的蒙皮設(shè)計(jì)了新的鋪層方式，研究表明優(yōu)化后的葉片內(nèi)部載荷降低，自適應(yīng)性增強(qiáng)，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的風(fēng)速范圍增加[2]；張立等人借鑒葉脈分布規(guī)律建立了一種仿生腹板模型，分析表明與原始腹板相比，仿生腹板的柔性增加，具有優(yōu)越的抗共振性能，且可以節(jié)省近一半的材料[3]。

針對(duì)動(dòng)物的仿生技術(shù)最初應(yīng)用在飛行器機(jī)翼和軸流風(fēng)機(jī)葉片等工程領(lǐng)域，并逐漸過(guò)渡到與其結(jié)構(gòu)類似的風(fēng)力機(jī)葉片上，主要集中在研究如何利用飛行動(dòng)物(如：鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng))的高升阻比特性優(yōu)化葉片的氣動(dòng)外形。吉林大學(xué)的華欣和馬毅通過(guò)研究典型鳥(niǎo)類(海鷗、長(zhǎng)耳鸮和軍艦鳥(niǎo))翅翼的翼型及構(gòu)型的空氣動(dòng)力特性，提取優(yōu)良翼型和構(gòu)型應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)仿生葉片能有效地降低阻力，提高升阻比和風(fēng)能利用率[4,5]；Sudo S等通過(guò)研究馬蠅翅膀的結(jié)構(gòu)特性，構(gòu)建了仿馬蠅翅膀的微型發(fā)電機(jī)葉片，研究表明這種發(fā)電機(jī)的效率是一般發(fā)電機(jī)的3倍[6]。在現(xiàn)有專利技術(shù)中，亦有針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的仿生技術(shù)，專利(CN 101619705B)公開(kāi)了一種帶有仿魚(yú)鱗型葉頂凸臺(tái)的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片，該葉片可削弱葉尖渦流，減少葉頂損失，達(dá)到對(duì)整個(gè)風(fēng)輪減阻降噪的目的[7]。

水生動(dòng)物(如：鯨類和鯊魚(yú))與飛行動(dòng)物的非光滑表面(溝槽、凹坑、凸包、凸環(huán)等)有助于其在流體運(yùn)動(dòng)中的減阻降噪，這為風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化提供了新的啟示。Weber Paul W等發(fā)現(xiàn)鯨鰭前緣突起產(chǎn)生的渦流可有效地減小游動(dòng)過(guò)程中的阻力，并延遲失速攻角[8]，據(jù)此開(kāi)發(fā)出的前緣鋸齒葉片，葉尖失速基本消除，風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速下的性能更優(yōu)[9]；德國(guó)的研究人員將仿鯊魚(yú)皮的溝槽涂層鋪設(shè)在風(fēng)力機(jī)葉片表面以提高發(fā)電效率，減少噪音[10]；于洪文基于鴿子翼羽外緣的凹凸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿生風(fēng)力機(jī)葉片能夠有效改善表面流場(chǎng)，增升降阻[11]；Zhang Rikui等研究了具有正弦前緣的仿生風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性，結(jié)果表明與直前緣葉片相比，仿生葉片在高風(fēng)速下的扭矩明顯減小[12]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文梳理和總結(jié)了在風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)程中仿生技術(shù)的應(yīng)用情況，主要是借鑒動(dòng)植物的優(yōu)良特性以降低葉片的內(nèi)部載荷，增強(qiáng)其自適應(yīng)性，改善氣動(dòng)性能，減阻降噪從而降低風(fēng)力機(jī)的發(fā)電成本。但是目前的仿生基本是利用生物的單一或者是雙特性對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，且做不到像生物一樣能夠根據(jù)環(huán)境的改變進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制，因此基于生物的多特性耦合仿生有待進(jìn)一步研究。