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風(fēng)電葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足一定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括：

•     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)定性;

•     葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求。

風(fēng)電葉片設(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。

(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，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。目前葉片葉型通常采用先進(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。

在過去的10多年中，水平軸風(fēng)電葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，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%；80年代中期后，風(fēng)電行業(yè)開始對(duì)葉片專用翼型進(jìn)行研究，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)電葉片設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。

 (2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前大型風(fēng)電葉片的結(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。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。

典型葉片剖面構(gòu)造形式

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，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。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。

(3)材料選擇

風(fēng)電葉片發(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)在只受到彎矩作用時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

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。

碳纖維的使用使風(fēng)電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。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，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。