張曉磊，薛艷華，瞿沐淋，王偉

（明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山 528437）

0 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，對(duì)風(fēng)電機(jī)組研發(fā)周期要求越來(lái)越短，為了響應(yīng)市場(chǎng)需求，機(jī)組的迭代速度越來(lái)越快，單價(jià)成本越來(lái)越低，如何在保證機(jī)組安全性的前提下，提高葉片迭代速度，降低葉片成本，平衡發(fā)電量及載荷的關(guān)系，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)過(guò)程中顯得十分重要[1-3]。

隨著葉片進(jìn)入長(zhǎng)且柔特性的時(shí)代，葉片在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮葉片凈空、葉片發(fā)電量、葉片穩(wěn)定性、葉片負(fù)阻尼等各種問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題相互影響，相互制約，如何平衡葉片質(zhì)量和葉片性能及穩(wěn)定性之間的關(guān)系成為阻礙葉片設(shè)計(jì)進(jìn)程的重要因素。

葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中有著重要作用，葉片斷裂會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。葉片在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，受氣動(dòng)力、彈性力及慣性力等作用，會(huì)引起揮舞、擺振及扭轉(zhuǎn)變形[4]，變形與氣動(dòng)力耦合會(huì)使機(jī)組振動(dòng)，該振動(dòng)可能會(huì)引起機(jī)組安全隱患，葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要充分考慮該方面的因素。潘柏松等[5]利用復(fù)合材料有限元法結(jié)合Tsai-Wu強(qiáng)度準(zhǔn)則，詳細(xì)分析葉根鋪層的設(shè)計(jì)方法，并論證歐拉伯努利梁理論在葉根處不適用的原因，為葉根鋪層設(shè)計(jì)方法研究提供依據(jù)。張立等[6]研究不同類(lèi)型彎扭耦合葉片結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)建立不同彎扭耦合葉片有限元模型，分析不同耦合區(qū)域及耦合角度對(duì)葉片結(jié)構(gòu)特性影響，為降低葉片內(nèi)部應(yīng)力，其中蒙皮耦合葉片降幅最大，主梁耦合葉片降幅最小。另外，研究表明葉片的彎扭耦合特性對(duì)葉片氣彈穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，其中主梁耦合葉片臨界屈曲載荷降幅較大而其他彎扭耦合葉片有小幅上升。Ramasamy等[7]堅(jiān)持認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該有最大的強(qiáng)度和最小質(zhì)量的葉片，葉片從風(fēng)中獲取能量，為了獲得額外的能量，他們通過(guò)增加葉片長(zhǎng)度來(lái)增加掃掠面積。另外對(duì)疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了綜述，通過(guò)優(yōu)化葉片的各種特性和性能、葉片材料、葉片設(shè)計(jì)等方面優(yōu)化葉片的疲勞強(qiáng)度。Zhu等[7-9]為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法改進(jìn)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以柔度最小為目標(biāo)，期望找到改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置的方法，旨在進(jìn)一步減輕葉片質(zhì)量，降低成本。另外建立葉片殼體有限元模型，以最小質(zhì)量為目標(biāo)，以關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量分析葉片特征參數(shù)對(duì)葉片性能的影響，以應(yīng)變、撓度、振動(dòng)和屈曲極限為約束條件，對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)配置的葉片與常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，有很多學(xué)者對(duì)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，多從理論及有限元算法方面著手進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論或計(jì)算算法來(lái)優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文以某葉片為研究對(duì)象，通過(guò)工程實(shí)際的方法探究葉片結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量、葉片凈空、葉片載荷等方面的影響，旨在為葉片研發(fā)過(guò)程中葉片的迭代設(shè)計(jì)提供參考。

1 葉片受力分析及葉片結(jié)構(gòu)

本文通過(guò)葉片設(shè)計(jì)軟件及風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)軟件建立一個(gè)與實(shí)物等比例的葉片模型及風(fēng)電機(jī)組整機(jī)計(jì)算模型。葉片模型如圖1所示。為保證風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確性，模型的部件材料參數(shù)設(shè)置與實(shí)物保持一致。

圖1 葉片模型

1.1 葉片受力分析

葉片在運(yùn)行過(guò)程中主要受到氣動(dòng)載荷、重力載荷、離心力載荷的影響，在葉片結(jié)構(gòu)校核中，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)受力分析。

葉片在開(kāi)槳狀態(tài)下有著最大的受力面，葉片承受風(fēng)能并推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。葉輪承受推力旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生極限載荷，導(dǎo)致葉片發(fā)生變形。葉片受力變形如圖2所示，由于葉片為玻璃纖維復(fù)合材料制成，具有較大的彈性，且葉根部位到葉尖部位，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸減弱，各翼型截面弦長(zhǎng)逐漸變小，因此葉尖變形量最大也最為明顯。

圖2 葉片受力變形

根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)特性，可將葉片受力分析簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，可借鑒懸臂梁的理論研究方法推斷葉片的受力情況，由于葉根連接風(fēng)電機(jī)組輪轂端，與輪轂固定連接，因此可以認(rèn)為葉片根部為懸臂梁的固定端，由此推斷，葉根具有最大的合彎矩載荷，葉尖合彎矩載荷最小。

由于葉片承受載荷從葉根到葉尖逐漸減小，因此葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)從葉根到葉尖也逐漸降低，葉根具有最重的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，葉尖具有最輕的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，從葉根到葉尖均勻過(guò)渡，在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中需要根據(jù)葉片自身產(chǎn)生的極限載荷及疲勞載荷，選擇合適玻纖布模量及型號(hào)、鋪層厚度等，在控制葉片質(zhì)量的同時(shí)，能夠保證葉片的安全性。

1.2 葉片結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片基本為復(fù)合材料構(gòu)成，主要由玻纖布、巴沙木、聚氯乙烯、樹(shù)脂等材料采用真空灌注工藝而成。葉片的成本不僅受葉片結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的影響，葉片的材料和工藝對(duì)葉片經(jīng)濟(jì)性同樣具有重要影響，葉片結(jié)構(gòu)、葉片材料和葉片工藝共同決定了葉片最終的質(zhì)量和成本。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和葉片制造工藝相結(jié)合在葉片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，必須找出保證性能的同時(shí)盡可能降低成本的最優(yōu)方案。

葉片結(jié)構(gòu)主要包括葉根、主梁、腹板、后緣梁、蒙皮、葉殼，葉片結(jié)構(gòu)截面如圖3所示。

圖3 葉片結(jié)構(gòu)截面

葉根部分通常設(shè)計(jì)為圓形，葉根與輪轂相連接，由于葉根處載荷最大，葉根需要由足夠的承載能力，另外葉片根部多以螺栓連接，葉根處需要打孔預(yù)埋螺栓，因此葉根也具有較大的厚度，葉根鋪層是葉片結(jié)構(gòu)中最厚的部位。

葉片主梁是葉片主要承載的部件，葉片在壓力面及吸力面各放置一個(gè)主梁，葉片承受外部推力并旋轉(zhuǎn)，在各種故障及極端運(yùn)行環(huán)境下產(chǎn)生極限載荷，主梁在設(shè)計(jì)時(shí)必須要保證能夠承受極端運(yùn)行環(huán)境下產(chǎn)生的極限載荷，以保證機(jī)組安全。為了提高葉片抗彎性能防止葉片掃塔，在葉片的長(zhǎng)度方向上采用高模單向纖維布，主梁的鋪層設(shè)計(jì)需要層層疊加但不完全重合，采用階梯性錯(cuò)層鋪設(shè)，選擇高模量單軸玻纖布在提高承載能力的同時(shí)能夠減輕葉片主梁的質(zhì)量。

腹板放置于葉片壓力面及吸力面中間，置于主梁兩側(cè)，腹板主要承受葉片剪力。腹板從葉片靠近根部開(kāi)始，到靠近葉尖位置結(jié)束，腹板采用雙軸玻纖布及聚氯乙烯通過(guò)真空灌注工藝制成，一般都是單獨(dú)制作，在葉片最終合模時(shí)放入葉片內(nèi)部。

葉片壓力面及吸力面主要由三軸玻纖布夾聚氯乙烯芯材及巴沙輕木芯材，采用真空樹(shù)脂灌注黏連，葉殼的芯材增加了葉片的剛度，芯材厚度也隨著葉片展向均勻過(guò)渡，葉片蒙皮采用高模量三軸玻纖布為葉片提供抗扭剛度。

綜上所述，葉片各部位承受的載荷不同，因此材料選擇不同，鋪設(shè)方法不同，在葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中需要從載荷分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取、制造工藝等多方面綜合考量，尋求最優(yōu)方案。

2 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)能利用率的影響

對(duì)比某4.0 MW機(jī)組不同版本的兩款葉片，對(duì)不同的葉片參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比。

某73.2 m長(zhǎng)度葉片不同版本對(duì)比結(jié)果中顯示，兩款葉片質(zhì)量相差502 kg，葉片Cp（風(fēng)能利用率）值對(duì)比相差0.13%。對(duì)葉片相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析兩款葉片之間的差異，找出影響Cp的因素，對(duì)比結(jié)果如表1所示。對(duì)比兩款葉片的氣動(dòng)參數(shù)氣動(dòng)外形一致，因此葉片Cp的變化主要受葉片結(jié)構(gòu)影響，葉片結(jié)構(gòu)的調(diào)整會(huì)對(duì)葉片Cp及AEP（年發(fā)電量）造成一定范圍內(nèi)的影響。

表1 兩葉片版本參數(shù)對(duì)比

分析葉片結(jié)構(gòu)的變化首先從葉片單位長(zhǎng)度質(zhì)量開(kāi)始，對(duì)比73.2m_V1與73.2m_V2 兩款葉片單位長(zhǎng)度質(zhì)量，分析葉片結(jié)構(gòu)調(diào)整情況，73.2m_V1與73.2m_V2 兩款葉片單位長(zhǎng)度質(zhì)量對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩款葉片單位長(zhǎng)度質(zhì)量對(duì)比

從葉片單位質(zhì)量上看，73.2m_V2 從葉根到葉片9 m處做了加強(qiáng)處理，葉片61.5～72.5 m 處進(jìn)行了葉尖加強(qiáng)處理；葉片其余部位均進(jìn)行了減重處理。減重部位主要為主梁位置，葉片減重通過(guò)減少主梁鋪層，同時(shí)修改葉片芯材參數(shù)進(jìn)行。葉根增厚層及葉根加強(qiáng)層都進(jìn)行了相應(yīng)的增加。并加強(qiáng)葉片后緣梁的鋪設(shè)，提高葉尖的抗彎剛度。

為了能夠在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中快速準(zhǔn)確地沿著理想的方向進(jìn)行調(diào)整迭代，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高設(shè)計(jì)效率，降低葉片設(shè)計(jì)成本。探究葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整對(duì)葉片發(fā)電量、變形及載荷的影響。

2.1 葉尖對(duì)風(fēng)能利用率的影響

在葉片73.2m_V1的基礎(chǔ)上，提高該葉片靠近葉尖10 m處的抗彎剛度及扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)，計(jì)算73.2m_V1加強(qiáng)葉尖后的Cp（風(fēng)能利用率）、AEP（年發(fā)電量）、X-deflection（葉尖最大變形量），其對(duì)比結(jié)果如表2所示。另外，在葉片73.2m_V2的基礎(chǔ)上，減小該葉片靠近葉尖10 m處的抗彎剛度及扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)，計(jì)算73.2m_V2降低葉尖部位后的Cp、AEP、X-deflection。其對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表2 加強(qiáng)葉尖剛度前后結(jié)果對(duì)比

表3 減小葉尖剛度前后結(jié)果對(duì)比

通過(guò)計(jì)算表明，加強(qiáng)葉尖剛度或者減小葉尖剛度對(duì)風(fēng)能利用率的影響有限，葉尖加強(qiáng)有利于葉片風(fēng)能利用率的提高。根據(jù)表3所示葉尖剛度的調(diào)整，計(jì)算葉尖加強(qiáng)前后的葉片變形，能夠減小葉尖變形約0.15 m。

除去葉尖對(duì)葉片風(fēng)能利用率的影響，在氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)相同的情況下，影響葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有扭轉(zhuǎn)剛度、揮舞方向抗彎剛度、擺振方向的抗彎剛度，分析這些主要參數(shù)對(duì)葉片Cp的影響。

2.2 葉片扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)風(fēng)能利用率的影響

分別分析葉片擺振方向抗彎剛度和揮舞方向抗彎剛度的調(diào)整對(duì)葉片風(fēng)能利用率的影響。

針對(duì)73.2m_V1 葉片分別降低其約10%扭轉(zhuǎn)剛度（V1_low_ts_10%）、25%扭轉(zhuǎn)剛度（V1_low_ts_25%）、35%扭轉(zhuǎn)剛度（V1_low_ts_35%），分析不同扭轉(zhuǎn)剛度下的葉片結(jié)構(gòu)對(duì)葉片風(fēng)能利用率的影響，計(jì)算在不同剛度下的葉片Cp，葉片Cp隨著扭轉(zhuǎn)剛度變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 葉片風(fēng)能利用率Cp隨著扭轉(zhuǎn)剛度變化趨勢(shì)

結(jié)果表明，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

針對(duì)73.2m_V1 葉片分別降低其約15%擺振剛度（V1_low_xp_15%）、25%擺振剛度（V1_low_ xp _25%）、35%擺振剛度（V1_low_ xp _35%），分析不同擺振剛度下的葉片Cp的變化趨勢(shì)，計(jì)算在不同擺振方向抗彎剛度下的葉片Cp，葉片Cp隨著擺振剛度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 葉片風(fēng)能利用率Cp隨著擺振剛度變化趨勢(shì)

針對(duì)73.2m_V1 葉片分別降低其約15%揮舞剛度（V1_low_yp_15%）、降低25%揮舞剛度（V1_low_yp_25%）、降低35%揮舞剛度（V1_low_ yp _35%），分析不同揮舞方向抗彎剛度下的葉片Cp的變化趨勢(shì)，計(jì)算在不同揮舞方向抗彎剛度下的葉片Cp，葉片Cp隨著揮舞剛度變化趨勢(shì)如圖7所示。

結(jié)果表明，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；降低葉片擺陣剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)降低超過(guò)25%擺陣剛度時(shí)，葉片風(fēng)能利用率基本穩(wěn)定；降低葉片揮舞剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。從葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果分析，影響葉片風(fēng)能利用率最主要的因素為葉片揮舞方向的抗彎剛度。

隨機(jī)選取不同的Cp值，計(jì)算在相同條件下的靜態(tài)年發(fā)電量，評(píng)估Cp值的變化與靜態(tài)年發(fā)電量之間的關(guān)系，不同Cp值與年發(fā)電量之間的關(guān)系如表4所示。

表4 不同風(fēng)能利用率Cp值與年發(fā)電量之間的關(guān)系

在原有葉片的基礎(chǔ)上，修改不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，葉片Cp會(huì)發(fā)生變化，但與原有葉片相比，葉片發(fā)電量會(huì)隨著Cp值的降低而降低，Cp值降低0.4%，發(fā)電量降低約0.1%。

2.3 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)葉片變形的影響

評(píng)估葉片在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下對(duì)葉片變形的影響，評(píng)估不同的葉片扭轉(zhuǎn)剛度、擺振剛度及揮舞剛度變化對(duì)葉片變形的影響。葉片剛度對(duì)葉尖變形量的影響如圖8所示。

圖8 葉片剛度對(duì)葉尖最大變形的影響

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)葉片的變形進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，結(jié)果表明，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度及葉片擺振剛度對(duì)葉尖變形的影響十分有限；在揮舞剛度降低的情況下，葉尖變形量隨之加大。從結(jié)果上看，葉片的揮舞剛度對(duì)葉片變形的影響最大，降低葉片揮舞剛度15%，可增大葉尖變形量約1.4 m。

2.4 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)葉片載荷的影響

評(píng)估在原有葉片基礎(chǔ)上進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的葉片進(jìn)行發(fā)電工況的葉片載荷評(píng)估，評(píng)估不同葉片結(jié)構(gòu)對(duì)葉根載荷的影響。

分別降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度（V1_low_ ts _10%）、擺振方向抗彎剛度（V1_low_ xp _15%）、揮舞方向抗彎剛度（V1_low_ yp _15%），對(duì)以上不同的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)電工況葉根合彎矩載荷計(jì)算，統(tǒng)計(jì)該工況下葉根合彎矩載荷極值，不同結(jié)構(gòu)變化對(duì)葉根合彎矩載荷影響趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 不同葉片結(jié)構(gòu)變化對(duì)葉根合彎矩載荷的影響

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)葉片的葉根合彎矩載荷計(jì)算統(tǒng)計(jì)可以得出，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度、降低葉片擺振方向抗彎剛度會(huì)使葉根合彎矩載荷有不同程度的增大；降低葉片揮舞方向的抗彎剛度，可以降低葉根合彎矩的載荷。

3 結(jié)論

葉片風(fēng)能利用率受葉片氣動(dòng)外形及葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)葉片扭轉(zhuǎn)剛度、擺振剛度、揮舞剛度等的影響，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；降低葉片擺陣剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；降低葉片揮舞剛度，葉片風(fēng)能利用率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。從葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果分析，葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響葉片風(fēng)能利用率最主要的因素為葉片揮舞剛度，另外，揮舞剛度對(duì)葉片變形量的影響也最大。

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)葉片的發(fā)電工況進(jìn)行載荷計(jì)算統(tǒng)計(jì)可以得出，降低葉片扭轉(zhuǎn)剛度、降低葉片擺振剛度會(huì)使葉根合彎矩載荷有不同程度的增大，但降低葉片揮舞方向的抗彎剛度，可以降低葉根合彎矩的載荷。

在提高發(fā)電量的前提下，葉片在結(jié)構(gòu)調(diào)整上應(yīng)該增加葉片扭轉(zhuǎn)剛度和揮舞剛度，降低葉片擺振剛度；在降低葉根合彎矩載荷的前提下，葉片在結(jié)構(gòu)調(diào)整上應(yīng)該增加葉片扭轉(zhuǎn)剛度，增加葉片擺振剛度，降低葉片揮舞剛度。因此在實(shí)際調(diào)整中，根據(jù)載荷和發(fā)電量的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。