第4章-风轮叶片设计

1第4章风轮叶片设计风轮叶片(简称叶片)是风电机组的核心部件之一，其设计质量对风电机组整体及其零部件的性能和寿命有直接影响。随着风电机组容量和叶片尺寸的不断增大，叶片外形和结构也更加复杂，且由于叶片精度、强度和刚度要求高等特点，使叶片设计技术显得更为重要。u设计概述风轮叶片设计理论与方法是涉及多学科交叉的问题，需要有空气动力学、机械设计理论、结构静力学与动力学、材料学等多方面的知识。风轮叶片的主要设计目标包括：Ø良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可能多的风能；Ø可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力；Ø合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞；Ø良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小；Ø耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护；Ø在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。n基本设计过程与内容如图4-1所示，叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求，通过系统的气动设计和结构设计，实现设计目标。图4-1叶片设计所涉及的内容n基本设计过程与内容一般而论，叶片设计可分为空气动力学设计(以下简称气动设计)阶段和结构设计阶段。在气动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形，实现年发电量最大的目标；结构设计阶段需要分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基本设计流程如图4-2所示。一般情况下，设计需要首先从叶片的气动外形设计展开，然后再根据气动设计要求进行结构设计。但实际上，这种设计流程并不是绝对的，亦即叶片结构设计不能也不可能完全处于从属地位。从叶片总体设计开始，往往就需要从结构设计角度对气动方案提出修改意见，甚至不得不改变某些截面的气动外形，以获得叶片气动与结构性能的合理匹配。因此，优良的叶片设计是在各种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。n基本设计过程与内容为了讨论问题方便起见，课程仍将分别介绍叶片气动与结构设计的基本内容。图4-2叶片基本设计流程l叶片气动设计的基本内容风轮叶片开发的首要任务是进行气动设计，设计内容主要包括气动外形的设计和气动性能分析计算等。叶片的气动设计过程，首先要根据风电机组的总体性能要求确定叶片的初始参数，包括风轮直径D(叶片长度L)、叶片数B、风轮转速Ω、叶尖速比λ、翼型数据以及外部条件(如额定风速和风速范围等)。气动设计的主要任务是确定叶片的气动外形，应用空气动力学基础理论并结合叶片的结构和工艺要求，形成沿叶片展向的截面形状。气动设计的基本思想是主要考虑叶片的各剖面叶素输出功率最大的外形设计原则。气动外形设计过程应用的理论基础，不仅涉及第2章介绍的基本空气动力学原理，如贝茨理论和叶素-动量等理论，在本章还将结合具体问题，讨论其他的一些相关设计理论和方法，如Glauert方法、Wilson方法和Schmitz理论等。对于基本确定的叶片气动外形，还需要进行详细的气动性能分析计算。l叶片结构设计的基本内容叶片的结构设计需要依据有关设计标准，应使其具有足够的强度和刚度，保证叶片在寿命期内规定的使用环境下不发生破坏。如图4-3所示，叶片结构设计的主要内容涉及计算叶片载荷、叶片材料的选择、总体结构形式、叶根设计、叶片铺层设计等，同时需要根据载荷条件，对叶片结构进行强度、刚度和稳定性等方面的详细设计和校核。图4-3叶片结构设计流程2l叶片结构设计的基本内容选择适当的叶片材料是叶片结构设计的基础性工作。对风轮叶片材质的基本要求是密度小且有良好的力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载；耐腐蚀、耐紫外线照射和防雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。叶片材料目前多选用复合材料，一般较小型的叶片选用E-玻璃纤维增强塑料，树脂基体为不饱和聚酯、乙烯酯或环氧树脂；较大型的叶片(如42m以上)一般采用碳纤维复合材料或碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料，树脂基体以环氧树脂为主。叶片的剖面设计应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行，大型的复合材料叶片剖面多采用蒙皮与主梁构造形式，中间有硬质泡沫夹层作为增强材料。叶片蒙皮主要由胶衣、表面毡和双向布复合材料铺层构成，其功能是提供叶片气动外形，同时承担部分弯曲载荷和剪切载荷。一些叶片后缘部分的蒙皮采用了夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。l叶片结构设计的基本内容叶片主梁结构主要承载叶片的大部分弯曲载荷。叶片主梁材料一般需采用单向程度较高的玻璃纤维织物增强，以提高主梁的强度及刚度。根据主梁结构形式，需要进行相应的剖面几何与力学特性计算，如质心、惯性矩和扭转刚度分析等。叶片的铺层设计是复合材料叶片设计的重要环节之一，铺层设计过程需要确定叶片铺层数量，以及铺层增强纤维的方向。叶片的铺层方案通常是由叶片所受的外载荷决定的，叶片铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐渐递增。叶片校核分析是保证设计质量的关键环节，需要根据校核分析结果对设计结构进行修正，并确定叶片最终结构形式。叶片校核分析的过程需要参照详细具体的设计载荷规范进行叶片总体和构件的载荷分析、极限强度及疲劳强度分析、刚度与变形计算、屈曲稳定计算和动力学分析等。计算分析需要基于复合材料结构力学理论，如层压板理论、复合材料连接和稳定性分析等，并借助有限元建模和数值计算分析方法，采用专业的计算分析程序和软件获得尽可能精确的分析结果，以保证叶片结构设计的质量。n设计要求l气动设计要求为了使风电机组有较高的风能利用效率，一般需要通过叶片气动设计获得相应的设计参数或指标。采用葛劳渥(Glauert)、维尔森(Wilson)或其他改进的可靠设计方法，通过计算确定叶片的气动外形(如叶片的翼型、弦长、扭角、剖面厚度沿展向的分布等)，并提供相应的设计条件参数(额定叶尖速比等)。根据有关设计标准或第2、3章的分析，气动设计过程通常需要确定以下设计参数或指标：Ø设计风速设计风速是叶片设计的重要基础参数，包括额定设计风速、切入风速、切出风速以及相应的湍流条件等。Ø气动性能指标气动设计需要确定叶片的气动功能特性，如风能利用系数CP、推力系数CQ、转矩系数CT等指标。l气动设计要求Ø外形尺寸气动设计应提供反映叶片气动外形的结果，如弦长、桨距角及其厚度沿叶片展向的分布，以及所用翼型的基本数据等。Ø气动载荷根据气动设计结果，需要考虑各种载荷情况的定义，并提供叶片的气动载荷详细分析与计算数据。Ø使用条件叶片的气动设计应明确规定叶片的适用条件，如风速、功率范围等参数。无论定桨距还是变桨距叶片，都要求其运行风速范围尽可能宽。对于变桨距叶片，还需要给出叶片的变桨距范围。l结构设计要求结构设计是形成叶片构件的关键设计过程，需要根据叶片所受的各种载荷，并考虑风电机组实际运行环境因素的影响，使叶片具有足够的强度和刚度。在规定的使用环境条件下运行时，应保证叶片在使用寿命期内不发生破坏。另外，要求叶片的设计重量尽可能轻，并考虑叶片间的相互平衡措施。叶片的强度通常需要通过静强度和疲劳强度分析校核，受压结构部分还应进行稳定性校核。强度分析应在足够多的截面上进行，需要分析校核的横截面数目可根据叶片类型和尺寸确定，但至少应分析4个以上的截面结构。同时，在叶片几何形状或材料不连续的位置，应考虑增加必要的附加截面分析。叶片强度分析可用相应的应变、应力等力学分析校核方法。对于应力分析，还应额外校验最大载荷点处的应变，以确认设计结构不超过材料破坏极限。l结构设计要求叶片的结构设计结果应通过可靠的分析方法和试验验证，证明所设计叶片能够满足各种设计工况下极限强度、疲劳强度和气动稳定性等方面的要求。Ø安全系数的选取对叶片部件和构件设计的安全系数的选取，可参考教材2.5节和有关标准执行。Ø极限强度设计条件复合材料叶片的结构强度，应尽可能保证其在承受极端风载荷情况下不产生破坏，避免由此造成风电机组灾难性的后果。Ø刚度设计条件除满足风电机组的振动、气动弹性不稳定性、机械功能等设计目标的要求外，还应保证叶片在各种极限载荷情况下不产生过度变形。3l结构设计要求Ø动力学特性叶片设计结构需要通过计算或实测方法确定相应的固有频率，应使叶片固有频率避开风电机组系统可能产生激振的频率。在所有设计状态下，应使叶片不产生有害的颤振及其他不稳定行为，并提供反映叶片的动态特性指标的数据或技术文件。有关叶片动力学问题的讨论，详见本书后续章节的内容。Ø疲劳寿命多数设计标准要求的叶片设计使用寿命应大于或等于20年，该要求是结构设计过程需要重点考虑的问题之一。叶片寿命需要通过结构疲劳分析，也可以通过疲劳试验方法确定。用于疲劳设计的载荷谱和相关的分析方法，可参照第2章介绍的有关分析方法进行设计。l结构设计要求Ø可靠性要求对叶片部件总体及其构件的可靠性要求，应参照相关设计标准，并根据具体风电机组的总体设计方案制定。Ø物理特性要求作为叶片的结构设计结果，应给出下列设计数据或技术资料：•叶片的质量及质量分布；•叶片的重心位置；•叶片的转动惯量；•叶片的刚度及刚度分布；•叶片的固有频率(包含挥舞、摆振和扭转等方向的)。Ø接口尺寸结构设计应给出同轮毂连接的详细结构与连接要求。l其他要求对叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。上述的叶片基本设计要求，主要参考了IEC61400—1[2]标准和德国GL的《风力发电风电机组认证规范》中的有关规定，以下一些要求仅供设计参考。Ø极限变形由于复合材料的优良特性，大型风电机组风轮叶片的设计首先考虑叶片的刚度是否满足使用要求，然后进行强度校核。因此对叶片的极限变形要求极为重要：•避免风电机组运行过程中与塔架碰撞，要限制叶片在最大设计风速时的极限变形；•在叶片变桨距时，应考虑气动弹性载荷对变形的影响。Ø叶片的几何位置特性为保证叶片的气动弹性稳定性，应尽可能使叶片截面的质心接近气动中心。对于变桨距风电机组的叶片而言，应尽可能使其叶片各截面的质心、气动中心接近叶片的变桨距轴线(一般在1/4弦长位置处)。Ø积水叶片内部可能会产生凝结水，其他水分也可能直接进入叶片内部，对叶片造成危害。为淸除叶片内部的水分，可以在叶尖和颈部等部位设计排水孔，并使叶片内部有良好的通风条件。但开孔应尽量小，以避免产生附加的气动噪声。Ø防雷击保护运行实践表明，叶片的防雷击保护十分重要。需要考虑有效的避雷措施，确保可靠地将叶片受雷击产生的电流通过轮毂引出，避免雷击对叶片的破坏。n叶片相关术语l叶片长度L叶片沿风轮径向方向(或称叶片展向)的最大长度，如图4-4所示l叶片面积Ab叶片面积为叶片在旋转平面上的投影面积。l叶片弦长C叶片径向各剖面翼型弦线的长度称作弦长。叶片根部剖面的翼型弦长称为根弦，叶片尖部剖面的翼型弦长称为尖弦。l叶片平均几何弦长叶片平均几何弦长为叶片面积与叶片长度的比值，即(4-1)bACL=图4-4叶片长度l叶片桨距角b如第2章所定义，叶片各剖面的弦线与风轮旋转平面的夹角，称为叶片的桨距角，如图4-5所示。叶片桨距角通常沿叶片展向不断变化，其值与翼型和截面位置有关。图4-5叶片的桨距角示意图4l翼型几何参数(见图4-6)l中弧线翼型周围内切圆圆心的连线称为中弧线，也可将垂直于弦线度量的上、下表面间距离的中点连线称为中弧线。图4-6翼型几何参数l前缘翼型中弧线的最前点称为翼型前缘。l前缘半径rN翼型前缘处内切圆的半径称为翼型前缘半径，前缘半径与弦长的比值称为相对前缘半径。l后缘翼型中弧线的最后点称为翼型后缘。l后缘角位于翼型后缘处，上、下两弧线之间的夹角称为翼型后缘角。l弦线翼型前后缘之间的连线称为翼型弦线。l厚度t翼型周线内切圆的直径称为翼型厚度，也可将垂直于弦线度量的上、下表面间的距离称为翼型厚度。最大厚度与弦长的比值称为翼型相对厚度。l弯度f中弧线到弦线的最大垂直距离称为翼型弯度，弯度与弦长的比值(f/C)称为相对弯度。n翼型介绍风能转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关，因此叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。传统的风轮叶片翼型多沿用航空翼型，随着风电技术的发展和广泛应用，国外一些研究机构开发了多种风电专用翼型系列。应用较多