楊通權(quán)

摘 要：風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在發(fā)展綠色能源戰(zhàn)略下獲得突飛猛進(jìn)發(fā)展，并且為了取得更好風(fēng)力發(fā)電效益，對風(fēng)電機(jī)組性能及質(zhì)量也提出嶄新要求，而風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵組成部分，確保其設(shè)計(jì)科學(xué)合理，可以使風(fēng)電機(jī)組的整體性能得到顯著提高，并保證其獲得安全高效運(yùn)行。本文結(jié)合大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述，從葉片外形、承載結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)平衡等方面著手，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)進(jìn)行詳盡探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)電;葉片結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方法;探討

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展背景下，人們生活水平日益提升，開展生產(chǎn)生活活動(dòng)所需電力也日益增長，而我國風(fēng)能資源儲(chǔ)存十分豐富，開發(fā)利用也比較低，這就為風(fēng)電事業(yè)快速發(fā)展提供了廣闊空間，為有效滿足風(fēng)電市場快速增長的需求，就要進(jìn)一步提高風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造能力，尤其是在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，作為風(fēng)電機(jī)組研發(fā)的關(guān)鍵，對其進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)不僅可以保證機(jī)組安全、高效運(yùn)行，還能夠?qū)︼L(fēng)電機(jī)組核心技術(shù)快速掌握，并推動(dòng)風(fēng)電事業(yè)獲得進(jìn)一步發(fā)展[1]?；诖?，大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法展開分析和探討。

1 大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是風(fēng)電葉片材料選擇、結(jié)構(gòu)形式確定和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，通過對這些葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行全面、綜合分析，使風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)具備較好的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，具體實(shí)踐中也要結(jié)合極限強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)特征、葉尖變形要求等，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其在實(shí)踐應(yīng)用中能夠取得良好性能，以風(fēng)電葉片材料選擇為例，操作中要盡可能的選擇鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等加以應(yīng)用，涉及的內(nèi)部夾心結(jié)構(gòu)則要使用輕木、PVC等材料，以達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求。

2 大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 結(jié)構(gòu)外形

結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)作為大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞也會(huì)對機(jī)組整體性能提升產(chǎn)生極大影響，因此需要對其引起高度重視，實(shí)踐中也可以采取威爾森、Glauert、動(dòng)量葉素理論等方法，對風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)外形進(jìn)行有效分析，若對Glauert方法加以應(yīng)用，就會(huì)對風(fēng)輪后渦流流動(dòng)進(jìn)行考慮，并在完成葉片結(jié)構(gòu)外形初步設(shè)計(jì)以后，對氣動(dòng)性能進(jìn)行修正和優(yōu)化;若對動(dòng)量葉素理論方法進(jìn)行運(yùn)用，就需要對風(fēng)輪軸線截面與葉片氣動(dòng)力之間關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，以達(dá)到明確風(fēng)電葉片參數(shù)與旋翼之間相關(guān)性目的;而使用威爾森方法對風(fēng)電葉片外形進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在風(fēng)電葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛[2]。

2.2 承載結(jié)構(gòu)

1）葉片構(gòu)造。在對葉片構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合葉片實(shí)際受到荷載情況，對結(jié)構(gòu)形式加以確定，針對空腹薄壁的葉片結(jié)構(gòu)，在荷載作用下容易出現(xiàn)變形過大、局部失穩(wěn)等情況，這時(shí)候就需要在空腹內(nèi)采取填充夾心材料、設(shè)置加強(qiáng)肋等措施，使結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度得到提高。實(shí)際制造過程中，多會(huì)采用葉片上下殼體、抗剪腹板獨(dú)立成型等方法，使上下殼體與抗剪腹板之間進(jìn)行有效粘結(jié)，使之構(gòu)成較為完整的獨(dú)立葉片，而葉片蒙皮及主梁帽加工需要纖維鋪設(shè)與灌注同時(shí)進(jìn)行，可以使葉片整體強(qiáng)度得到提高，并且為了降低設(shè)計(jì)難度，操作中可以對蒙皮和主梁帽進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，既能夠簡化設(shè)計(jì)，又能夠保證葉片性能[3]。另外，根據(jù)葉片展向結(jié)構(gòu)可以將其分為葉根區(qū)、過渡翼型區(qū)和完全翼型區(qū)，對這些區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)，需要建立受載情況、外形限制、結(jié)構(gòu)要求準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到葉片整體結(jié)構(gòu)性能要求。

2）葉片強(qiáng)度及剛度。對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì)，涉及的風(fēng)電葉片都會(huì)采用復(fù)合材料，實(shí)踐中主要包含蒙皮鋪層和主梁帽鋪層2項(xiàng)內(nèi)容，其中葉片蒙皮主要發(fā)揮扭轉(zhuǎn)力矩作用，并可以提供氣動(dòng)外形，若不考慮腹板影響，就可以將葉片視為閉口薄壁梁，并結(jié)合蒙皮任意一點(diǎn)單元體應(yīng)力情況，對蒙皮強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并以此確定葉片蒙皮厚度。對主梁帽鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì)，主梁帽作為葉片承受彎曲荷載的關(guān)鍵部件，需要根據(jù)鋪層參數(shù)，對截面實(shí)際剛度進(jìn)行計(jì)算，并聯(lián)合材料參數(shù)、蒙皮厚度、主梁位置、鋪層參數(shù)等，逐層求和得到相對應(yīng)的實(shí)際截面剛度，并對主梁鋪層數(shù)加以明確。而對葉片剛度加以設(shè)計(jì)，需要建立在葉片截面位移基礎(chǔ)之上，實(shí)際設(shè)計(jì)中也要對設(shè)計(jì)條件加以設(shè)定，并對截面位移實(shí)際情況進(jìn)行求解，得到截面實(shí)際抗彎剛度以后，就能夠開展截面形狀設(shè)計(jì)，這一過程中也要對風(fēng)電葉片抗彎結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行科學(xué)確定[4]。

2.3 氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)平衡

1）影響因素。葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)影響因素包含：（1）翼型厚度，風(fēng)電葉片作為具有一定厚度的殼體，并且呈現(xiàn)出從葉根至葉尖逐漸減少的特征，針對大型風(fēng)電葉片受力比較大，因此需要隊(duì)葉片翼型厚度對氣動(dòng)性能造成影響加以關(guān)注，設(shè)計(jì)中對大厚度翼型加以選擇，就需要為葉片承載結(jié)構(gòu)留出足夠的空間，而葉片主梁需要布置到葉片內(nèi)部當(dāng)中，實(shí)踐中可以采用箱型、工字型方式進(jìn)行操作;（2）葉片實(shí)度，在葉片數(shù)目及長度明確基礎(chǔ)上，葉片弦長就會(huì)對實(shí)度大小產(chǎn)生直接影響，為此可以采取改變?nèi)~片弦長的方式，得到不同葉片實(shí)度，并對氣動(dòng)性能加以計(jì)算，以對實(shí)度對葉片最大效率產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)度與氣動(dòng)效率存在反比關(guān)系[5]。

2）變槳中心確定。由于葉片會(huì)受到啟動(dòng)扭矩、離心力扭矩、變槳慣性力矩等作用，并且隨著變槳中心逐漸向氣動(dòng)中心加以靠近，其氣動(dòng)力扭矩也會(huì)不斷減少，而氣動(dòng)中心與變槳中心位置處于固定狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)扭矩大小與葉片長度氣動(dòng)力存在緊密聯(lián)系，為了使葉片承受的扭矩減小，就要對變槳中心位置加以優(yōu)化，使葉片截面翼型氣動(dòng)中心與截面重心盡可能的挨近，該種設(shè)計(jì)也能使葉片抗彎能力得到進(jìn)一步提升[5]。

3 結(jié)語

本文是基于對大型風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的探討，風(fēng)能作為一種清潔能源，為我國風(fēng)電事業(yè)提供了巨大發(fā)展空間，但是受到風(fēng)電事業(yè)起步較晚、核心技術(shù)掌握不足等因素影響，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電效果不夠理想，需要加強(qiáng)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，實(shí)踐中可以從結(jié)構(gòu)外形、承載結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)平衡等方面入手，保證風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，提高風(fēng)電機(jī)組整體性能及質(zhì)量，使之更好滿足風(fēng)電市場實(shí)際需求，并帶動(dòng)風(fēng)電事業(yè)快速持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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