大型风力机复合材料叶片的气动外形和载荷设计
发布时间：2014-02-10     来源： 上海玻璃钢研究院有限公司
本文摘要： 风力发电技术是当今各种可再生能源利用中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的一种。为了寻求替代石化燃料的能源和减少二氧...
 
    风力发电技术是当今各种可再生能源利用中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的一种。为了寻求替代石化燃料的能源和减少二氧化碳及污染气体的排放，包括我国在内的许多国家都在大力发展该项技术。为了提高发电效率，风力发电设备正不断朝着大型化方向发展，其主要机型的额定功率从以前的几百千瓦级发展到现在的1～3MW，甚至更大。风力机功率的加大使得其叶轮的直径不断加大，目前一台1.5MW风力发电机的叶轮直径可达80m左右。与此同时，还需要使其尽可能的轻巧和高效，这就使得风力机叶片的设计变得非常复杂。
 
    我国近年来对风力发电等可再生能源的发展非常重视，风电产业发展迅速，截至2008年12月31日，我国除台湾省外新增风电机组5130多台，新增装机容量约624.6万kW，当年新增装机增长率为89%，累计装机容量约1215.3万kW，建立了一批新的大型风电机组生产线[1]。但在风电产业蓬勃发展背后，却存在着大型风电机组自主设计生产能力不足的问题，国内众多叶片厂商虽然完成了叶片制造的国产化，设计技术却往往掌握在国外设计公司手里，特别是大容量风力机的能力。本文针对2MW风电机组叶片，完成了叶片的外形设计和载荷计算。
 
    叶片的气动外形设计
 
    叶片的气动外形设计是指叶片采用的翼形族、剖面弦长、扭角、相对厚度沿叶片长度方向的分布。由于风轮数值计算的网格数量大，网格生成困难、耗时等特点，同时气动设计要根据后续的计算进行优化，将其应用于叶片气动外形设计还有一定距离，现有工程计算及设计的基础仍然是动量叶素理论，它也是目前国际风电行业性能、载荷计算软件的理论基础。
 
    设计参数
 
    设计参数一般由叶片厂商根据风电机组总装厂的要求，同时根据市场上同类叶片运行参数确定部分主要的设计参数。因为叶片设计出来是要面对市场的，如果主要参数差异较大，则面临市场面较窄，从面影响企业的发展。叶片设计参数包括风电机组风轮参数和叶片本身的技术参数，一般包括：
 
    （1）风轮叶片数。由于三叶片的风电机组的运行和输出功率比较平稳，现代MW级风电机组一般为三叶片，二叶片比较罕见。
 
    （2）额定风速。直接影响到风力机的尺寸和成本，在此风速下，风力机组输出额定功率。知道了平均风速和风速的频度，就可以按一定的原则来确定风速的大小，一般由风电机组整机厂商根据风场的勘测数据确定。
 
    （3）风轮直径。由叶片适用的风区，如果是IECI类风区，额定风速较高，风轮直径会较小；相反，如果是IECII类风区或更差，要求额定风速会更低，风轮直径更大。确定了风轮直径，根据轮毂半径及风轮锥角等可得出叶片的长度。
 
    （4）风轮转速。一般应先确定叶片运行的尖速比范围，在设计的尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。目前运行的大功率风机都具有较高的尖速比，在6~8范围内，此类风机具有较高的风能利用系数，同时较高尖速比的风力机叶片成本也低。根据风轮设计风速和发电机转速确定的尖速比应在此范围内。由于控制气动噪声的原因，叶尖线速度一般在70m/s附近(海上风电机组略有放开)，这决定了风轮的最大转速。
 
    （5）风轮仰角和风轮锥角，防止叶尖与塔架碰撞。
 
    （6）翼形族的选择。失速型叶片必须选择失速性能优良的翼型，变速变距叶片一般选择具有良升阻比特性的翼型。为满足结构设计的需要，叶片根部一般选用大厚度翼型，其相对厚度根据强度要求从根端的100%(圆形)过渡到40%左右。翼型的空气动力学特性是叶片气动设计的基础参数，风力机叶片的运行迎角范围是-180°~180°，雷诺数的范围也比较宽，在106~107之间。
 
    动量理论
 
    动量理论(MomentumTheory)定义了一个通过风轮平面的理想流管，见图1，分别表示来流风速、流过风轮风速、风轮后尾流速度。（齐沛玉）

关键词：风力 复合材料 叶片

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