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1、大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)2010年04月28日來源:全球節(jié)能環(huán)保網(wǎng)閱讀:290我要評(píng)論 核心提示: 按目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)技術(shù)比較普遍的1.5MW葉片來計(jì)算,20062010年,需要葉片數(shù)為7000片左右,而2010-2020年之間,所需葉片數(shù)將為50000片,國(guó)內(nèi)葉片市場(chǎng)巨大 1前言能源是人類社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的原動(dòng)力。目前以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu),不僅資源難以支撐,而且對(duì)環(huán)境帶來嚴(yán)重問題,特別是溫室氣體排放造成全球氣候變化將帶來一系列生態(tài)和環(huán)境問題。解決這一難題的出路在于開發(fā)清潔的可再生能源。目前在可再生能源中,除水電以外,風(fēng)電最具有商業(yè)開發(fā)條件。風(fēng)能作為環(huán)境友好型的可再生能源,它的開
2、發(fā)和利用不僅可以緩解世界能源危機(jī),而且還具有常規(guī)化石能源不可比擬的優(yōu)勢(shì),如可持續(xù)開發(fā),不存在資源枯竭問題,不排放二氧化碳等溫室氣體和其他有害物質(zhì)等。地球上風(fēng)能資源非常豐富,據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示,全球的風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.74×109MW,其中可經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的風(fēng)能2×107MW,比可開發(fā)利用的水電總量還要大10倍。隨著常規(guī)化石能源的枯竭和生態(tài)環(huán)境的惡化,以風(fēng)電為代表的可再生能源的開發(fā)和利用受到各國(guó)政府的重視,經(jīng)過最近二十多年的發(fā)展,尤其是近幾年,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日益成為一個(gè)迅速增長(zhǎng)的新興產(chǎn)業(yè)。在過去十年中,全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)以每年30%左右的速度快速增長(zhǎng),且這種趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。截止2006年底
3、,全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已超過74GW。 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了風(fēng)電機(jī)組及其上游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,其中葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一,其性能好壞直接影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率和機(jī)組所受載荷,在很大程度上決定了機(jī)組的整體性能和風(fēng)電開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),葉片也是風(fēng)機(jī)的核心部件,其成本約為風(fēng)電機(jī)組總成本的20%1。因此,世界各大主要風(fēng)機(jī)制造商都非常重視葉片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),并盡可能保持獨(dú)立的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。2風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足一定的設(shè)計(jì)目標(biāo),其中有些甚至是相互矛盾的1,2:年輸出功率最大化;最大功率限制輸出;振動(dòng)最小化和避免出現(xiàn)共振;材料消耗最小化;保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)
4、定性;葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求。葉片設(shè)計(jì)可分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)大的階段,其中氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求滿足前兩條目標(biāo),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿足后四條目標(biāo)。通常這兩個(gè)階段不是獨(dú)立進(jìn)行的,而是一個(gè)迭代的過程,葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板,提高葉片剛度。2.1外形設(shè)計(jì) 葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是外形優(yōu)化設(shè)計(jì),這是葉片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中葉片翼型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率,在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,流動(dòng)的雷諾數(shù)比較低,葉片通常在低速、高升力系數(shù)狀態(tài)下運(yùn)行,葉片之間流動(dòng)干擾造成流動(dòng)非常復(fù)雜。針對(duì)葉片外形的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構(gòu)成,葉片葉型的設(shè)計(jì)變得非常重要。目前
5、葉片葉型的設(shè)計(jì)技術(shù)通常采用航空上先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)翼翼型設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片葉型的形狀。先進(jìn)的CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同類型氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì),對(duì)于低雷諾數(shù)、高升力系數(shù)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件,采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場(chǎng)是非常必要的。 在過去的10多年中,水平軸風(fēng)機(jī)葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型,比如NACA44XX,NA-CA23XX,NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼型對(duì)前緣粗糙度非常敏感,一旦前緣由于污染變得粗糙,會(huì)導(dǎo)致翼型性能大幅度下降,年輸出功率損失最高達(dá)30%3。在認(rèn)識(shí)到航空翼型不太適合于風(fēng)機(jī)葉片后,80年代中期后,風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)葉片專用翼型進(jìn)行
6、研究,并成功開發(fā)出風(fēng)電葉片專用翼型系列,比如美國(guó)Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優(yōu)勢(shì),Seri系列對(duì)翼型表面粗糙度敏感性低;RISO-A系列在接近失速時(shí)具有良好的失速性能且對(duì)前緣粗糙度敏感性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麥LM公司已在大型風(fēng)機(jī)葉片上采用瑞典FFA-W翼型,風(fēng)機(jī)專用翼型將會(huì)在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。表1為對(duì)NREL翼型系列性能提高3的估算。 目前葉片外形的設(shè)計(jì)理論有好幾種,都是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。第一種外形設(shè)計(jì)理論是按照貝茨理論得到的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法,
7、該方法是假設(shè)風(fēng)力機(jī)是按照貝茨公式的最佳條件運(yùn)行的,完全沒有考慮渦流損失等,設(shè)計(jì)出來的風(fēng)輪效率不超過40。后來一些著名的氣動(dòng)學(xué)家相繼建立了各自的葉片氣動(dòng)理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失,設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確一些。Glauert理論考慮了風(fēng)輪后渦流流動(dòng),但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響,對(duì)葉片外形影響較小,對(duì)風(fēng)輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎(chǔ)上作了改進(jìn),研究了葉稍損失和升阻比對(duì)葉片最佳性能的影響,并且研究了風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能,是目前最常用的設(shè)計(jì)理論。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前大型葉片的結(jié)構(gòu)都為蒙皮主梁形式,如圖1所示為典型的葉片構(gòu)造形式。蒙皮主要由雙軸復(fù)合材料層增
8、強(qiáng),提供氣動(dòng)外形并承擔(dān)大部分剪切載荷。后緣空腔較寬,采用夾芯結(jié)構(gòu),提高其抗失穩(wěn)能力,這與夾芯結(jié)構(gòu)大量在汽車上應(yīng)用類似5。主梁主要為單向復(fù)合材料層增強(qiáng),是葉片的主要承載結(jié)構(gòu)。腹板為夾芯結(jié)構(gòu),對(duì)主梁起到支撐作用。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。目前葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要建立在IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)GL標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,要求結(jié)構(gòu)滿足靜力強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和葉尖撓度要求。復(fù)合材料葉片各鋪層是交錯(cuò)鋪放的,實(shí)際初步設(shè)計(jì)時(shí),將所有雙軸布視為一層,所有單軸布視為一層,這樣做對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能影響不大。葉片結(jié)構(gòu)鋪層是分段設(shè)計(jì),各段厚度都不一致,應(yīng)對(duì)厚度進(jìn)行連續(xù)化處理,最終設(shè)計(jì)的各鋪層厚度還應(yīng)為各單層厚度的整數(shù)倍。 &
9、#160; 結(jié)構(gòu)鋪層校核對(duì)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說也必不可少。前在校核方面,大多用通用商業(yè)有限元軟件,比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。對(duì)葉片進(jìn)行校核時(shí),考慮單層的極限強(qiáng)度、自振頻率和葉尖撓度6,分析模型有殼模型和梁模型等,并且能夠做到這兩種模型的相互轉(zhuǎn)換7,如圖2,3所示。與其他葉片結(jié)構(gòu)相比,目前大型葉片的中空夾芯結(jié)構(gòu)具有很高的抗屈曲失穩(wěn)能力,較高的自振頻率,這樣設(shè)計(jì)出來的葉片相對(duì)較輕。有限元法可用于設(shè)計(jì),但更多用于模擬分析而不是設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)與模擬必須交叉進(jìn)行,在每一步設(shè)計(jì)完成后,必須更新分析模型,重新得到鋪層中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù),再返回設(shè)計(jì),更改鋪層方
10、案,再分析應(yīng)力和變形等,直到滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止,如圖4所示。因?yàn)閺?fù)合材料正交各向異性的特殊性,葉片各鋪層內(nèi)的應(yīng)力并不連續(xù),而應(yīng)變則相對(duì)連續(xù),所以葉片結(jié)構(gòu)校核的失效準(zhǔn)則有時(shí)候完全采用應(yīng)變失效準(zhǔn)則。 2.3材料選擇葉片發(fā)展初期,由于葉片較小,有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等,隨著葉片向大型化方向發(fā)展,復(fù)合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)之一就是其可設(shè)計(jì)性,通過調(diào)整單層的方向,可以獲得該方向上所需要的強(qiáng)度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性,使結(jié)構(gòu)不同變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合,使得結(jié)構(gòu)在只受
11、到彎矩作用時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在過去,葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個(gè)讓設(shè)計(jì)人員頭疼的難題,設(shè)計(jì)工程想方設(shè)法消除耦合現(xiàn)象。但在航空領(lǐng)域人們開始利用復(fù)合材料的彎扭耦合,拉剪耦合效應(yīng),提高機(jī)翼的性能8。在葉片上,引人彎扭耦合設(shè)計(jì)概念,控制葉片的氣彈變形,這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁,降低葉片的疲勞載荷,并優(yōu)化功率輸出9。 玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)是現(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片最普遍采用的復(fù)合材料,玻璃鋼以其低廉的價(jià)格,優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風(fēng)機(jī)葉片材料的統(tǒng)治地位。但隨著葉片逐漸變大,風(fēng)輪直徑已突破120m,最長(zhǎng)的葉片已做到61.5m,葉片自重達(dá)18t。這對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片
12、大型化,輕量化的要求。碳纖維或其它高強(qiáng)纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域,如NEG Micon NM 82.40m長(zhǎng)葉片,LM61.5m長(zhǎng)葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。由于葉片增大,剛度逐漸變得重要,已成為新一代MW級(jí)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。碳纖維的使用使葉片剛度得到很大提高,自重卻沒有增加。Vestas為V903.OMW機(jī)型配套的44m系列葉片主梁上使用了碳纖維,葉片自重只有6t,與V802MW,39m葉片自重一樣。美國(guó)和歐洲的研究報(bào)告指出,含有碳纖維的承載玻璃纖維層壓板對(duì)于MW級(jí)葉片是一個(gè)非常有效的選擇替代品。在E.C.公司資助的研究計(jì)劃10中指出,直徑為120m風(fēng)輪葉片部分使用碳纖維可有效減少總體自重
13、達(dá)38%,設(shè)計(jì)成本減少14%。但碳纖維價(jià)格昂貴,極大地限制其在風(fēng)機(jī)葉片上的使用?,F(xiàn)今碳纖維產(chǎn)業(yè)仍以發(fā)展輕質(zhì)、良好結(jié)構(gòu)和熱性質(zhì)佳等附加值大的航空應(yīng)用材料為主。但許多研究員卻大膽預(yù)言碳纖維的應(yīng)用將會(huì)逐步增加。風(fēng)能的成本效益將取決于碳纖維的使用方式,未來若要大量取代玻璃纖維,必需低價(jià)才具有競(jìng)爭(zhēng)力。3風(fēng)輪葉片發(fā)展趨勢(shì)3.1葉片造型的發(fā)展前面提到風(fēng)機(jī)葉片專用翼型已成系列,但還存在很大改進(jìn)空間。采用柔性葉片也是一個(gè)發(fā)展方向,利用新型材料進(jìn)行設(shè)計(jì),從而改進(jìn)空氣動(dòng)力和葉片受力狀態(tài),增加可靠性和對(duì)風(fēng)能捕獲量。在開發(fā)新的葉片外形上也進(jìn)行大量嘗試,Enercon公司對(duì)33m葉片進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn),經(jīng)過精確的測(cè)定,葉片
14、的實(shí)際氣動(dòng)效率為56%,比按照Betz計(jì)算的最大氣動(dòng)效率低約34%。為此,該公司對(duì)大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn),包括為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝“小翼”,如圖5所示;為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力,對(duì)葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn),縮小葉片的外形截面,增加葉徑長(zhǎng)度;對(duì)葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71m的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù),旋轉(zhuǎn)直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”,使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個(gè)葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66m)運(yùn)
15、行時(shí)產(chǎn)生的噪音。3.2葉片材料的進(jìn)展風(fēng)機(jī)機(jī)組正朝著大型化發(fā)展,葉片長(zhǎng)度越來越長(zhǎng),捕獲的風(fēng)能越來越多。風(fēng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者和能源公司都看好大葉片,因此Enercon公司的6MW機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生,GE公司的7MW機(jī)組研發(fā)緊鑼密鼓,而英國(guó)正在研制lOMW的巨型風(fēng)力機(jī)11。如此大功率風(fēng)機(jī)配套的葉片將是超規(guī)模的。目前普遍采用的玻纖增強(qiáng)聚脂樹脂、玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂將無法滿足要求。所以必須開發(fā)更為先進(jìn)的材料,具備輕質(zhì)、高強(qiáng)以及剛性好的性能。 碳纖維的使用已成必然,但一般以碳玻混雜的形式出現(xiàn)。3TEX開發(fā)了一種三維混雜結(jié)構(gòu),如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)具備高強(qiáng)度、高剛度特性,同時(shí)該結(jié)構(gòu)能使樹脂灌注速度加快,縮短工作時(shí)間。且
16、這種結(jié)構(gòu)較厚,減少了鋪層層數(shù),節(jié)約勞動(dòng)力,降低了生產(chǎn)成本。實(shí)際結(jié)果表明,使用這種混雜纖維形式比全玻璃鋼葉片減輕質(zhì)量約為10%左右。 在未來的十幾年里,有大量的葉片將會(huì)退役,退役后葉片的處理將是我們所面臨的一個(gè)非常棘手的問題。目前使用的復(fù)合材料葉片屬于熱固性復(fù)合材料,很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者燃燒等方法處理,基木上不再重新利用,易對(duì)環(huán)境造成影響,為此,人們開始積極研究開發(fā)“綠色葉片”熱塑性復(fù)合材料葉片12。愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日木三菱重工及美國(guó)Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。根據(jù)有關(guān)資
17、料介紹,與環(huán)氧樹脂玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比較,若采用熱塑性復(fù)合材料葉片,每臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片重量可降低10%,抗沖擊性能大幅度提高,制造成本至少降低1/4,制造周期至少降低1/3,而且可完全回收和再利用。安全快捷地制造“綠色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實(shí)現(xiàn),Gaoth公司及其合作伙伴就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的先驅(qū)。3.3葉片設(shè)計(jì)新的研發(fā)理念現(xiàn)在大型葉片的結(jié)構(gòu)基本為蒙皮加主梁的形式,主梁為預(yù)先成型,然后粘接到葉片蒙皮。國(guó)外有設(shè)計(jì)公司提出葉片整體成型概念,意在打破蒙皮主梁的結(jié)構(gòu)形式。丹麥LM公司提出了“Future Blade”的概念,且已在其54m和61.5m巨型葉片上使用了
18、這種設(shè)計(jì)概念。LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V. Nielsen認(rèn)為未來葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本(COE)最優(yōu)化,葉片將會(huì)更加細(xì)長(zhǎng),這種設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)降低葉片載荷,葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化,材料成本將會(huì)降低,產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證。 今年三月,美國(guó)KnightCarver的風(fēng)電葉片公司成功開發(fā)了一種新型葉片STAR Blade13。這種具有創(chuàng)新性的葉片不同于當(dāng)前使用的絕大部分葉片,是專門針對(duì)低風(fēng)速區(qū)域設(shè)計(jì)的。這種葉片葉尖采用“柔性”設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì),在外形上與傳統(tǒng)葉片后緣線性變化不同,逐漸向后緣彎曲,降低了葉片風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩,并
19、最大限度捕獲所有可用風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能,包括邊緣的低風(fēng)速區(qū)域,比傳統(tǒng)的葉片捕風(fēng)能力提高了510。第一片該種葉片已經(jīng)進(jìn)行了靜力測(cè)試,年內(nèi)還將生產(chǎn)第二片。 國(guó)內(nèi)中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研制的1.5 MW sinoma40.2m葉片已經(jīng)成功下線,并在今年7月份通過了靜力測(cè)試。該葉片采用新的“柔性、預(yù)彎”設(shè)計(jì)技術(shù),針對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)況設(shè)計(jì),葉尖部分向上風(fēng)向彎曲,葉片細(xì)長(zhǎng),柔性好,其整機(jī)載荷低于同類37.5m 1.5MW葉片。4結(jié)語(yǔ)風(fēng)電將在全球范圍繼續(xù)高速發(fā)展,國(guó)內(nèi)、國(guó)外風(fēng)電市場(chǎng)巨大,中國(guó)的目標(biāo)是累計(jì)裝機(jī)容量在2010年達(dá)到500萬(wàn)kW, 2020達(dá)到年3000萬(wàn)kW,這個(gè)
20、目標(biāo)將會(huì)提前實(shí)現(xiàn),國(guó)內(nèi)葉片市場(chǎng)將供不應(yīng)求。按目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)技術(shù)比較普遍的1.5MW葉片來計(jì)算,20062010年,需要葉片數(shù)為7000片左右,而2010-2020年之間,所需葉片數(shù)將為50000片,國(guó)內(nèi)葉片市場(chǎng)巨大。 葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)為我們提供更加高效,低成本,高可靠性的葉片,國(guó)內(nèi)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)落后,目前MW級(jí)別上,葉片設(shè)計(jì)技術(shù)基本依賴進(jìn)口,但該局面有望在未來的幾年內(nèi)逐步得到改觀,完全依靠國(guó)內(nèi)力量設(shè)計(jì)的葉片不久的將來會(huì)在國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)上空運(yùn)轉(zhuǎn)。 參考文獻(xiàn)1 Tony Burton,David Sharpe,Nick Jenkins,Ervin Bossanyi. Win
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