风电机组叶片力学优化研究

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1、风电机组叶片力学优化研究　　摘要：本文首先介绍了叶片气动设计理论和方法，然后阐述了目前风电叶片结构设计中存在的问题，最后进行了叶片载荷计算及强度分析。关键词：风电机组；叶片；力学；优化分析中图分类号：TM925.11文献标识码：A文章编号：风力发电是获得清洁、可再生能源的主要技术形式之一,将成为我国未来发展速度最快的新能源产业。近年来，国内外的风电产业发展很快，对相关的设计技术提出了更高的要求。按照国家规划，未来15年风电设备市场份额将高达2100亿元。风力机叶片作为风力发电机中最关键的部件之一，达到整机价值的20％左右。由于风电叶片是实现风能转换的重要环节，对

2、机组的整体性能影响很大，由于风电机组大型化，技术难度不断提高，有关的设计方法始终是研究的热点。叶片是接受风能的主要部件，也是风力发电中的关键基础部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定性因素。13风电机组的输出功率以及作用在风轮上的轴向推力与叶片长度近似成二次方关系，叶片重量与叶片长度近似成三次方关系，所以，随着风电机组的大型化，叶片长度、叶片重量和整机所承受的载荷将不断增加，从而给叶片的运输和安装带来非常大的困难。同时，由于整机载荷的提高，机组其他部件的成本也将有相应的增加。另外，由于现代大型风电机组叶片普遍采用细长结构，所以随着

3、叶片长度的增加，叶片的刚度越来越小，柔性越来越大，叶尖变形和风电机组气动弹性问题将更加突出。从2002年开始，美国Sandia实验室开展的WindPACTBladeSystemDesignStudy(BSDS)项目对1MW～10MW风电机组叶片的设计制造等问题进行了较为全面的研究。研究结果表明：在靠近叶根的位置采用钝尾缘厚翼形，能够在维持良好的气动性能的同时，有效减轻叶片重量；叶片主承力件采用碳纤材料不仅能减轻叶片重量，还能提高叶片刚度，减少叶尖变形量，成本只有较少的增加。1.叶片气动设计理论和方法叶片的气动设计是叶片设计的重要环节，其结果直接决定了风电机组的风

4、能利用效率和气动载荷，并在很大程度上影响着整个风电机组的性能。叶片气动设计的内容主要包括翼型的选择，以及弦长、扭角分布的确定。叶片气动设计的方法通常是以广泛应用的动量叶素理论为基础，同时引入Prandtl13叶尖和轮毂损失修正，叶栅理论对攻角的修正，以及Glauert对轴向诱导因子的修正，建立风电机组气动设计和计算的数学模型，通过迭代求解轴向诱导因子和周向诱导因子，以取得最大Cp为目标，得到叶片的弦长和扭角分布，最后再根据叶片的结构和加工要求对结果进行修正。2.目前风电叶片结构设计中存在的问题2.1叶片载荷分析方法研究不足有关风电载荷计算分析方法的研究在国外开展

5、较早，商业应用的软件较多，但多用于已有叶片结构的校核与分析，并且计算方法一般采用叶素一动量理论，其忽略因素较多，对计算结果的可靠性需要具体分析。对结构载荷与结构设计的依存关系研究还很少，由于结构布置引起的结构载荷变化并未引起足够的重视。在极限载荷计算中考虑的载荷工况较单一，且仿真计算周期选取较短，需要分析才可以得到叶片整个运行周期内的载荷极值。2.2缺乏针对风电叶片系统的结构设计方法研究国内外的相关研究主要集中在叶片结构设计过程中的数值分析方法，只是利用有限的已知条件，通过迭代逐渐接近设计目标。系统的叶片结构设计方法研究成果不多，大部分研究只是侧重于对算法的改进

6、，以提高迭代过程的准确性与快速性。叶片初始结构的设计方法研究较少，未能说明叶片怎样从无到有的系统设计过程，这使得叶片优化失去了对象，并且针对叶片设计过程中从载荷到结构的设计方法、设计准则等一系列问题缺乏一致和连贯性。2.3风电叶片关键承载结构设计问题研究较少13目前，国内叶片设计研究多集中在叶片气动设计和气动优化方面，对于叶片结构设计方法研究偏少。己有的叶片结构设计方面的研究，主要涉及叶片复合材料铺层设计和校核等内容。实际上，有关风电叶片结构设计的一些关键问题，如叶片在大柔性变形条件和结构强度要求的关系及设计准则、基于复合材料特性(不均匀、不连续等)的设计方法等

7、，是亟待解决的问题。2.4大型叶片结构与气动性能的矛盾突出，二者协调设计关系不明确风电叶片设计过程中，需要先进行气动设计再进行结构设计，优化过程中二者也独立进行，这使其被人为地割裂为两个相互独立的环节。迄今，对于风电叶片的结构设计与气动性能的平衡关系研究不多，对于结构、气动联合优化研究更少，这导致较优的气动外形伴随较难实现的承载结构。为了同时获得较优的气动外形、结构和材料设计结果，现有设计过程通常会导致大量反复计算工作。3.叶片的优化设计13叶片的优化设计要满足一定的设计目标，如：叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。目前叶片外形的设计理论有好几种，都是在机翼气

8、动理论基础上发展起来的。