浅谈大型风力机叶片设计

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1、浅谈大型风力机叶片设计　　摘要：随着科技的发展，风力机的单机容量不断增大，传统的以气动设计优先的设计方法，已不能完全满足大功率风力机对于结构稳定性的要求。因此本文介绍一种先结构后气动的钝后缘翼型设计方法，该设计结果很好地满足了大型风机的要求。　　关键词：风力发电叶片钝后缘翼型　　引言　　常规能源日渐减少，环境危机日益严重，风能作为一种可再生的清洁的能源越来越受到各国的重视。风力发电产业也逐步发展成为具有一定规模的新兴产业。目前各国正加快对风力发电机组的研究步伐，不断推陈出新，风力发电技术逐渐由单机小容量走向大型化、大容量。从技术商业化程度看，风电机的设计难以满足实际要求，因而有必要

2、对风机系统进行改进设计、选用更好的材料、部件、选用更先进的控制装置。这些改进不仅可以减轻负荷，而且还可以减少风机的重量和部件的费用。　　提出问题　　风力发电机要获得较大的风力发电功率，其关键在于要具有结构及气动性满足要求的风轮机叶片。大型风力机叶片尺寸大，外形复杂，精度要求高、表面粗糙度低、强度和刚度高、质量分布均匀性好等，使得叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。4　　叶片是风电机组中关键部件之一，叶片设计关系着风电机组的整体性能。风电叶片设计过程通常包括两部分：叶片外形气动设计和叶片内部结构设计，根据以上两个方向进行的顺序不同，风电叶片的设计方法大致可以分为以下几种方式：第一

3、种，先进行气动设计，然后进行结构设计。该方法将气动设计和结构设计解耦，大大降低了设计的复杂性；但由于气动设计先于结构设计，在优化的早期过度强调气动外形的重要性，这样虽然获得了最优的气动外形，但却伴随着难以实现的结构设计和昂贵的材料。第二种，牺牲部分气动性能换取结构优化，通常的做法是降低对叶片气动外形的设计要求，通过在最优的气动外形附近进行小范围的调整来达到牺牲少量的气动性能换取好的结构性能的目的。但该方法改变的空间不大。第三种，同时进行气动设计和结构设计，为了达到更加接近全局最优的设计结果，该方法主要借助于CAD和高性能计算手段，同时优化叶片的结构和形状。这种方法计算量巨大，所以该

4、方法在工程上应用比较少。　　最优设计方法　　通过对前三种已有的设计过程进行分析得出：设计的难点在于如何平衡气动设计和结构设计。如果形状设计完全不考虑结构设计，其结果很可能在制作过程中结构无法实现；而如果在气动设计阶段过多考虑结构设计，又会因计算复杂而影响工程的可行性。综合考虑设计结果的优化，设计难度、工程可行性、软件的实现等现实因素，可以从结构设计出发，以现有的经验为基础，通过一些经验公式，先进行粗略的结构设计，再以结构设计的初步结果为参数进行气动设计，最后用气动设计的结果来校核结构设计的合理性。　　（1）叶片翼型布局：4叶片顶部，翼型较薄，具有较大的最大升阻比。对于叶展中部的翼型

5、，侧重于强度和几何兼容的特性，翼型的厚度与弦长的比达到0.25左右，对最大升阻比的要求减弱。出于结构和强度的考虑，风力机根部区域采用厚翼型结构。　　（2）钝后缘翼型：大型风力发电机叶片长、质量大，叶片要承受弯曲荷载和疲劳荷载，叶片内圈较其他部位更易破损，为了满足结构强度的要求，在大型风力机的根部需要布置厚翼型，可大厚度尖后缘翼型气动性能不如薄翼型，为了改善厚翼型气动性能，现代大型风机选择钝后缘翼型。钝后缘翼型是对现有翼型的改进，与传统翼型相比，钝后缘翼型在结构和气动力特性上有一些优点：第一，对于给定厚度的翼型，钝后缘翼型可以增加叶片的截面面积和惯性矩，提高抗弯和抗扭强度；第二，钝后

6、缘翼型可以增加其截面的最大升力系数和升力曲线斜率，可有效降低翼型的污染敏感度；第三，钝后缘翼型可以在增加翼型最大厚度的同时，相应地降低了气流通过截面最厚点后的逆压力梯度，从而推迟或避免气流的分离，改善其气动性能。　　总结　　随着风力机的功率越来越大，导致叶片的重量不断增加，风力机结构稳定性问题突出。传统的设计方法注重叶片的气动设计，而对结构设计考虑得较少，或牺牲叶片的结构性能来使气动性能达到最佳。这种设计方法对于大型风力机，特别是兆瓦级风力机在进行叶片结构设计时无法使结构性能达到最优。为了解决传统风力机设计存在的问题，本文采用以结构设计为出发点的设计方法，在气动设计之前先进行初步的

7、结构设计，很好地解决此问题。4　　参考文献：　　[1]杨科，徐建中，王会社等.风力机翼型族设计方法研究[C].工程热物理学会论文集.北京：工程热物理学会，2007　　[2]张志英，赵萍，李银凤，刘万琨.风能与风力发电技术.[M].化学工业出版社，2012　　Introductiontolargewindturbinebladedesign　　ZhangdongxiaCaofei　　（JiangxiYuzhouScientific&TechnologicalInstit