摘 要：文章通過對風力發(fā)電機的理論分析，并針對發(fā)電機的葉片結構，提出葉型選擇、葉片設計理論、葉片氣動能量損失修正等關鍵技術理論；同時，通過對實際案例分析，以期設計出性能更加的風力發(fā)電機葉片。

關鍵詞：風力發(fā)電機；葉片；葉型；設計理論

1 風力發(fā)電機的葉片概述

隨著世界能源危機時代的來臨，世界環(huán)保組織對維持生態(tài)平衡的推動，使各國對可再生能源的重視日益高漲。1931年，蘇聯(lián)設計出容量100千瓦的風力發(fā)電裝置；1979年，浙江省泗礁島設計出容量18千瓦的風力發(fā)電裝置；內蒙古后續(xù)在草原上設計裝置出200臺100-250瓦的小型風力發(fā)電機組；目前，在全世界50個國家地方對可再生能源發(fā)展支持下，出臺了新能源開發(fā)相關法律法規(guī)，此舉對風能的普及至關重要，風能發(fā)電行業(yè)開始成為規(guī)?；屡d產業(yè)。隨著世界對風力發(fā)電機組研討逐漸深入，以期可以最大程度上利用風能。風力發(fā)電機組主要由前端（葉片、葉輪、軸承）、傳動系統(tǒng)、后端（發(fā)電機、電氣部件、電能儲備）組成。其中，葉片是發(fā)電效率提升的關鍵技術，其主要包括葉片的葉型選擇、翼型設計、氣動外型設計等，并可直接影響發(fā)電機組工作性能。由于風力發(fā)電機組葉片尺寸大型、結構復雜，在實踐中對流線型、材料精度、強度、剛度、葉片表面粗糙度、質量要求嚴格，因此葉片技術對發(fā)電效率的提高起到?jīng)Q定性因素。目前，研究人員對風力發(fā)電機組前端部分深入研討，希望設計出優(yōu)化葉片，提升機組系統(tǒng)的效率。

2 風力發(fā)電機的葉片設計與優(yōu)化

2.1 葉型的選擇

在風力發(fā)電機組前端，葉片外形結構設計尤其關鍵，它涉及機組捕獲風能功率容量，決定后端機械能供能。1888年，世界上第一臺風力發(fā)電裝置由美國的CharlesF.Brush設計實現(xiàn)，當時由于人們對葉片結構的不了解，因此葉片采用平板設計，對風能難以有效捕獲，實踐價值低；1891年，世界上第一臺引用風洞的風力發(fā)電裝置由丹麥的PoulLaCour教授設計實現(xiàn)，他率先將氣體動力學與風力發(fā)電機組前端結合，當時世界對空氣動力學的實驗屬于淺顯水平，葉片設計仍然不適合風能轉化，然而此舉為后續(xù)風力發(fā)電機拓展開辟了新道路；20世紀初，伴隨著世界研究組對空氣動力學的深入，逐漸延伸至風力發(fā)電機組葉片的氣動設計，它成為機組對風能捕獲量和轉化效率的關鍵。科學家首先著眼于風力發(fā)電機組機翼氣動理論，以此為研究基礎，后續(xù)Betz、Wilson、Glauert等人率先引申出風輪氣動理論。Betz根據(jù)一元定常流動理論，研究風輪工作狀態(tài)下的風能轉化效率，接著其以該理論為基礎，設計出葉片的簡單外形構架，然而在仿真模擬中，實驗結果與理論截然不同，在實踐中難以續(xù)航；Glauert根據(jù)風輪尾流的葉素理論，著眼于葉片外形的理論設計，引申風輪氣動理論的計算為基礎，并且根據(jù)實際結構要求加以修正，以此實現(xiàn)葉片優(yōu)化。但是值得一提的是，Glauert理論忽視了翼型阻力和葉片磨損方面對機組效率的影響，雖然在無風狀態(tài)下，不影響葉片的外形設計，然而一旦進入迎風狀態(tài)，則十分影響風輪氣動性能。Wilson理論以Glauert設計為基礎，并加以改造，是目前風能發(fā)電機組經(jīng)常涉及的方法，其氣動優(yōu)化設計理論針對Glauert設計針對葉片和翼型上的缺陷，研究了葉片損耗和翼型狀態(tài)下阻力對葉片性能的影響，并且對風輪的氣動性能有所涉獵。葉片翼型的選擇尤其關鍵，系統(tǒng)氣動性能影響著風力發(fā)電機組的使用特性和壽命，而翼型氣動特性的好壞，直接影響著機組對風能的利用系數(shù)。

2.2 葉片設計理論

葉片是風力發(fā)電機中的關鍵部件之一，憑借自身良好的設計、可靠的質量和優(yōu)越的性能，是保障發(fā)電機組正常穩(wěn)定運行的重要因素。因此，葉片的設計與制造質量水平尤其重要，被視為風力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術和技術水平代表。關于風力發(fā)電機組葉片部件的關鍵技術，主要包括有葉片的設計理論、結構形式、材料選擇和翼型設計等，而其中，葉片的翼型設計和結構形式與風力發(fā)電機組系統(tǒng)的性能和功率息息相關，是系統(tǒng)最為核心的部分。

葉片設計包括葉片的葉型選擇、翼型設計、氣動外型設計、幾何參數(shù)、葉片載荷、動力學設計、復合材料結構、電氣自動化等，屬于綜合性一體技術，直接影響發(fā)電機組工作性能。對葉片設計的要求包括翼型設計、標準安裝配置、系統(tǒng)升阻比、葉尖材料、葉片扭角等。此外，由于機組依靠葉片捕獲風能，在葉片設計上，系統(tǒng)對葉片的設計結構、材料、工藝、質量、離心力以及對風能承受范圍等方面要求嚴苛；在后續(xù)實踐中，同樣要求葉片標準配置安裝、疲勞強度高、運轉安全可靠、低成本、維修便捷；在工作狀態(tài)下，葉片表面要求光滑、流線型，以減少由于空氣摩擦帶來的阻力，葉輪和軸承間持續(xù)添加潤滑油。正是由于葉片中這些因素缺一不可，因此其理論極其復雜，不易制作，要充分結合迎風狀態(tài)時的影響，考慮葉片結構、材料、質量、外形、粗糙程度等關鍵因素。

2.3 葉片氣動能量損失修正

在機組迎風時，由于系統(tǒng)承受空氣動力、旋轉離心力和自身重力的作用，葉片旋轉的同時會以擺振、扭轉、揮舞的方式振動，揮舞為葉片旋轉前后方向振動；扭轉為葉片與軸承的扭轉振動；擺振為葉片旋轉平面的彎曲振動，系統(tǒng)既承受機械振動，又承受氣動力、離心力等，倘若在交織作用下相互磨合，則振動趨于穩(wěn)定，否則由于系統(tǒng)無法平衡受力，將加快葉片磨損，甚至直接破壞軸承。以上條件將降低軸承旋轉速率，損失氣動能量，所以風電設計中氣動力學問題至關重要。由于葉片設計時裝置有扭角，弱主軸垂直葉片的旋轉平面上，所以主軸葉片彎曲勢必帶動相鄰主軸，因此揮舞振動和擺振對系統(tǒng)穩(wěn)定不具有威脅，而對于扭轉振動，由于扭轉載荷不足的問題，典型的葉片設計具有較強的扭曲承受能力，使自然頻率遠超激振頻率。

3 葉片的優(yōu)化

文章筆者講述一種新的大型風力發(fā)電機葉片設計方法，包含四個階段：第一階段是葉片翼型氣動系數(shù)的獲取，通過naca、Xfoil和AirfoilPrep三個軟件有機結合得到攻角區(qū)間在-180°～180°內的翼型氣動系數(shù)；第二階段是葉片基本參數(shù)的設定，通過風力發(fā)電機葉片設計理論計算得到風力發(fā)電機的功率、風輪直徑、葉尖速比、葉片數(shù)、實度等；第三階段是采用Wilson法得到初步設計的葉片，通過Matlab編寫葉片效率的計算方法程序，進行初始葉片截面弦長和扭角的計算，從而得到初始葉片的效率值；第四階段是得到優(yōu)化后的兩組葉片，基于Wilson方法設計結果，利用遺傳算法，在個體適應度計算時考慮葉片沿展向的相對厚度的變化，得到優(yōu)化后的葉片參數(shù)；最后綜合考慮葉片厚度相對于槳距角發(fā)生變化的情況下，再對葉片進行優(yōu)化，得到進一步優(yōu)化的葉片參數(shù)。

后期仿真結果表明，在不同的風速下，通過這種優(yōu)化方法得到的葉片，比原有葉片的風能轉換效率都有所增加，從而驗證了優(yōu)化方法的有效性。

4 結束語

我國風能資源豐富，風電技術在目前來看依然前景遼闊，并且可再生能源符合我國可持續(xù)發(fā)展方針戰(zhàn)略。因此，促進風力發(fā)電的使用，對我國環(huán)保事業(yè)、維持生態(tài)平衡、避免能源危機方面至關重要。并且，由于在風力發(fā)電機組中，葉片為接受風能的主要部件，是捕獲風能容量的關鍵，因此在設計上要求嚴苛，需考慮機組動態(tài)參數(shù)，從而使機組極限載荷，緩沖疲勞載荷，實現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠的運行。

參考文獻

[1]陳家權，楊新彥.風力機葉片立體圖的設計[J].機電工程，2006（4）.