基于效率提升的風機葉片優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用

青海黃河風力發(fā)電有限責任公司 劉啟棟 嚴得鑫 左仲林 李煒明 孫志遠

隨著我國風電行業(yè)的高速發(fā)展，風機產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)不斷提高，尤其是葉片的設(shè)計技術(shù)。風機葉片的氣動性能通過氣動參數(shù)表征，而葉片氣動性能的提升主要通過優(yōu)化葉片幾何結(jié)構(gòu)和安裝方式。此外，風機的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以從一定程度上提升風電機組的效率。隨著風電行業(yè)的不斷發(fā)展，風機產(chǎn)品性能不斷提高，單機容量不斷增加，風機葉片變得越來越長、越來越重。在風機設(shè)計中，通常采用增加材料厚度或增加材料長度來提高重量和效率[1-3]。因此，在滿足風電機組發(fā)電量需求的同時，如何提高風機質(zhì)量、減少材料用量，以及降低制造成本成為業(yè)內(nèi)研究的熱點問題。

1 基于效率提升的風機葉片優(yōu)化設(shè)計

1.1 風機概況

金風S43/600風力發(fā)電機組的技術(shù)指標如下。

機型：失速型、帶葉尖氣動剎車、上風向、三葉片；額定功率：125/600kW；風輪直徑：43m；輪轂中心高：40m，50m（根據(jù)塔架高度）；啟動風速：3m/s；額定風速：15m/s（與氣候條件有關(guān)）；停機風速：24m/s（10min）；最大抗風：70m/s（3s）；最大風能利用系數(shù)：CPmax ≥0.4；控制系統(tǒng)：計算機控制，可遠程監(jiān)控；工作壽命：≥20年；工作環(huán)境溫度：-20℃～45℃（普通型），-30℃～45℃（寒帶型）；噪聲：≤50dB（A）（距機組150m 處）。

1.2 葉片優(yōu)化設(shè)計

風機葉片優(yōu)化設(shè)計主要是通過改變?nèi)~片的幾何參數(shù)和安裝方式，使葉片性能達到最佳狀態(tài)。同時，根據(jù)風機工況對葉片進行優(yōu)化設(shè)計，使風機在滿足性能要求的同時，盡可能降低成本。該風機葉片可采用3種不同的安裝方式，分別是水平軸安裝、垂直軸安裝和混合安裝。在風機設(shè)計中，為了提升效率，通常會增加材料厚度和長度，使材料成本大大增加。而在上述案例中，通過對葉片進行優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用新型材料來提升風機效率。該案例風機葉輪直徑為2.5m，設(shè)計功率為2.4MW。根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出，在不增加材料成本的情況下，優(yōu)化設(shè)計后的葉片較原設(shè)計可以提升7.1%的效率。

1.3 葉片氣動性能優(yōu)化

在風機設(shè)計中，氣動性能的優(yōu)化一般是通過增加葉片長度和弦長來實現(xiàn)。但隨著風力發(fā)電機組尺寸的不斷增大，葉片長度增加到一定程度后，增加長度和增加弦長就會造成材料用量的增加和制造成本的增加。因此，在滿足風場條件要求下，葉片幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對于降低材料用量和提高風機效率具有重要意義。通常葉片的氣動性能可以通過葉片氣動參數(shù)進行表征，其氣動性能主要由葉尖速比、葉尖馬赫數(shù)和葉片弦長決定。在風機設(shè)計中，可以通過優(yōu)化葉片幾何結(jié)構(gòu)來提升風機效率，主要通過優(yōu)化葉尖速比、葉尖馬赫數(shù)、葉片弦長等參數(shù)來實現(xiàn)。由于葉片安裝方式會對氣動性能產(chǎn)生影響，因此可以通過優(yōu)化葉片安裝方式來提升風機效率[4]。

1.4 結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化

葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，是在保證葉片強度的基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)~片截面形狀、結(jié)構(gòu)形式和材料等方式，對葉片的氣動性能和強度進行優(yōu)化。根據(jù)不同風場環(huán)境和載荷要求，可以通過以下3種方式優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)：第一，降低風機載荷。在某些極端風況下，葉片承受的載荷較大，可以通過改變?nèi)~片截面形狀或增加葉片長度來降低風力機的載荷。第二，優(yōu)化葉片截面形狀。風機葉片通常采用矩形截面或圓形截面設(shè)計，對于某些極端工況，可以通過改變風機葉片截面形狀來提高起動性能。第三，優(yōu)化材料選擇[5]。根據(jù)實際應(yīng)用要求，確定葉片的截面形狀及參數(shù)范圍，在滿足強度條件下，通過改變?nèi)~片截面形狀及參數(shù)范圍來優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)。其中，增加厚度的方式主要是改變風力機的載荷，通過增加葉根厚度來提高葉尖速度及減小尾緣損失；增加長度的方式是增加葉尖區(qū)域的厚度，通過增加葉尖區(qū)域長度來提高氣動性能；采用復合材料方式則是通過改變復合材料的密度來提高強度。

1.5 新型材料應(yīng)用

風機葉片是風電機組的核心部件，葉片的性能將直接影響到風機的發(fā)電量。目前，風機葉片常用材料有玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）和樹脂基復合材料（RPM）。GFRP 和CFRP 在葉片中主要用來制造翼型和翼肋，而RPM 主要用于制造葉片根部和根部以上的部分。

GFRP 具有質(zhì)量輕、比強度高、耐疲勞性能好等優(yōu)點，但價格較貴；CFRP 具有強度高、模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，但其耐疲勞性能差。因此，在實際應(yīng)用中，通常將這兩種材料混合使用，以滿足不同性能要求。另外，還有一種新型復合材料——碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）。這種材料具有重量輕、比強度高、抗疲勞性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，并且可以將葉片的強度和剛度相匹配，是一種新型的復合材料。

2 葉尖防松脫改造應(yīng)用

石碑山風電場為早期開發(fā)建設(shè)風場，當時國內(nèi)風力發(fā)電尚處于發(fā)展初期，采用定漿風機，風機停機必須將葉尖甩出氣動剎車，由于機型設(shè)計等原因，葉尖未有防松脫固定措施，隨著運行年限的增加，在機組運行過程中，存在葉尖墜落傷人隱患，必須進行防松脫技術(shù)改造，消除隱患。

需要將葉尖放至地面，使用固定夾具將葉尖碳管固定后，方可繼續(xù)進行銷釘?shù)募友b工作，如圖1所示。

圖1 防松脫銷釘

圖2 防松脫銷釘安裝結(jié)構(gòu)

使用熱風槍烘烤連接套兩端的厭氧膠，使用扳子將連接套沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)松開，直至與鋼絲繩螺紋脫離。將銷釘一側(cè)的開口銷（GB/T916.3×50）恢復成平直狀態(tài)取出，取下墊圈（GB9520），將銷釘從液壓缸支架和液壓缸固定環(huán)中抽出，拆下液壓缸并用安全繩固定在液壓缸支架上。

將銷釘穿入液壓缸支架和提升機固定環(huán)，固定好開口銷。將提升機鋼絲繩連接套連接在葉片鋼絲繩上，拆卸裝配蓋板和制動座蓋板。葉根提升機連接完畢后，收緊葉尖，使導向軸頂絲螺紋孔面向操作者，使用熱烘槍吹烤導向軸上頂絲3～5min，直至將頂絲螺紋上厭氧膠烤化松動，取下頂絲。

使用鉤形扳手逆時針旋轉(zhuǎn)環(huán)眼螺釘（HT/FD43-210-04），距離以能取下定位卡環(huán)（HTFD43-210-06）為止（勿退出行程過大，導致葉尖脫落）。操作葉根提升機將葉尖放至地面。

拆卸葉尖連接銷Ⅰ（HT/FD43-000-04）和開口銷（GB/T914×36）將鋼絲繩壓裝件雙耳組件與環(huán)眼螺釘（HT/FD43-210-04）分離。提起鋼絲繩，利用大螺絲刀將制動彈簧（HT/FD43-120-02）、導向套（HT/FD43-120-01）和橡膠墊（HT/FD43-120-03）拆下。放置鋼絲繩和套筒彈簧組件（HT/FD43-122）到地面，將鋼絲繩壓裝件（HT/FD43-130）與提升機鋼絲繩連接螺母分離，收起提升機鋼絲繩至制動窗口。檢查制動機構(gòu)時，要細致檢查各個零件是否存在磨損現(xiàn)象，尤其要注意制動盒部分，檢查其是否出現(xiàn)開焊問題，一旦發(fā)現(xiàn)開焊，必須立即進行鈑金焊接修復，確保其結(jié)構(gòu)的完整性和安全性。同時，對于其他磨損嚴重或已破裂的零部件，應(yīng)及時更換，以保障整個制動系統(tǒng)的可靠性和車輛的安全行駛。

固定葉尖至穩(wěn)定的位置后，使用臺鉆或手電鉆在碳管的指定位置準確鉆孔，鉆孔時要保持鉆頭穩(wěn)定，避免偏斜或損傷碳管。鉆孔完成后，取銷釘并在其表面涂抹適量結(jié)構(gòu)膠，以增強粘合力和密封性。然后將涂有膠的銷釘穿入鉆孔中，使用錘頭輕敲使銷釘完全進入孔內(nèi)，并確保銷釘與碳管緊密結(jié)合。最后用角磨機對突出的銷釘進行打磨，直至其表面與碳管表面平齊，以免產(chǎn)生不必要的阻力或損害。

連接鋼絲繩壓裝件（HT/FD43-130）與提升機鋼絲繩。提起鋼絲繩，利用大螺絲刀、鉗子等工具將制動彈簧（HT/FD43-120-02）、導向套（HT/FD43-120-01）和橡膠墊（HT23.5-120-03）裝配至制動座。

放下鋼絲繩壓裝件至地面，用連接銷Ⅰ（HT/FD43-000-04）和開口銷（GB/T914×36）連接雙耳與環(huán)眼螺釘（HT/FD43-210-04）。

操作提升機將葉尖升至葉片分切面處，將葉尖導向軸從分切面處插入主體內(nèi)，通過橡膠墊凹口處觀察，當導向軸接觸到導向套時，將導向軸上的標記點與導向套的標記點對齊后旋入導向套內(nèi)。安裝環(huán)眼螺釘（HT/FD43-210-04）時，一是將其旋入導向軸內(nèi)，確保螺紋對接準確且無交叉螺紋現(xiàn)象。二是將定位卡環(huán)（HTFD43-210-06）正確放置在環(huán)眼螺釘與導向軸之間，以實現(xiàn)固定和定位作用。三是擰緊環(huán)眼螺釘，確保連接穩(wěn)固，防止在運行中螺釘松動或脫落，保障裝置的安全可靠運行。

涂抹厭氧后擰緊螺絲，安裝制動盒蓋板和裝配蓋板。

葉尖安裝完畢后，將提升機鋼絲繩連接套從葉片鋼絲繩上擰下。將銷釘（HT/FD43-000-05）從液壓缸支架和提升機安裝孔中抽出，安全放置好提升機。

安裝時液壓缸放氣閥門靠近葉片后緣位置。將一端裝有開口銷（GB/T916.3×50）和墊圈（GB9520）的銷釘（HT/FD43-000-05）穿過液壓缸支架和液壓缸固定環(huán)，在連接銷另一端裝上墊圈（GB9520），然后固定好開口銷（GB/T916.3×50）（彎成蝴蝶須形），最后安裝葉根蓋板和輪轂蓋板。

將葉尖安裝就位后，葉尖功能性動作測試正常，葉尖防松脫技術(shù)改造完成。

3 結(jié)論

本文通過對葉片幾何參數(shù)進行優(yōu)化，來降低葉片材料用量和提升風機效率。通過以上研究，得出以下結(jié)論。第一，在保證葉片強度和剛度的前提下，以氣動性能為優(yōu)化目標時，葉片厚度最優(yōu)取值為0.95mm。由于材料成本和制造成本較高，因此，建議使用不銹鋼材料替代鋁材料，以降低材料成本。第二，當風機轉(zhuǎn)速為2000r/min 時，葉片長度應(yīng)在0.95～0.95m。由于葉片長度和厚度較大，因此可以減少材料用量和提高風機效率。第三，當風速大于6m/s 時，葉片最大彎矩和扭轉(zhuǎn)力矩均為負值。隨著風速的增加，葉片最大彎矩減小、扭轉(zhuǎn)力矩增大。因此，為了減少葉片材料用量和提高風機效率，建議使用高強度鋼材料替代鋁材料。第四，隨著風場風速的增加，風機功率輸出增大。因此，建議使用高強度鋼代替鋁材料進行葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。第五，為了提高風機效率和降低制造成本，建議采用高強度鋼代替鋁材料進行葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；同時根據(jù)風場風速的變化合理調(diào)整葉片幾何參數(shù)以提升風機效率。