風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今各種可再生能源利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件及商業(yè)化發(fā)展前景的一種。為了尋求替代石化燃料的能源和減少二氧化碳及污染氣體的排放，包括我國在內(nèi)的許多國家都在大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)。為了提高發(fā)電效率，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備正不斷朝著大型化方向發(fā)展，其主要機(jī)型的額定功率從以前的幾百千瓦級(jí)發(fā)展到現(xiàn)在的1～3MW，甚至更大。風(fēng)力機(jī)功率的加大使得其葉輪的直徑不斷加大，目前一臺(tái)1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑可達(dá)80m左右。與此同時(shí)，還需要使其盡可能的輕巧和高效，這就使得風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。

我國近年來對(duì)風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展非常重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，截至2008年12月31日，我國除臺(tái)灣省外新增風(fēng)電機(jī)組5130多臺(tái)，新增裝機(jī)容量約624.6萬kW，當(dāng)年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率為89%，累計(jì)裝機(jī)容量約1215.3萬kW，建立了一批新的大型風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)線[1]。但在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展背后，卻存在著大型風(fēng)電機(jī)組自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力不足的問題，國內(nèi)眾多葉片廠商雖然完成了葉片制造的國產(chǎn)化，設(shè)計(jì)技術(shù)卻往往掌握在國外設(shè)計(jì)公司手里，特別是大容量風(fēng)力機(jī)的能力。本文針對(duì)2MW風(fēng)電機(jī)組葉片，完成了葉片的外形設(shè)計(jì)和載荷計(jì)算。

2 葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)是指葉片采用的翼形族、剖面弦長(zhǎng)、扭角、相對(duì)厚度沿葉片長(zhǎng)度方向的分布。由于風(fēng)輪數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量大，網(wǎng)格生成困難、耗時(shí)等特點(diǎn)，同時(shí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)要根據(jù)后續(xù)的計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，將其應(yīng)用于葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)還有一定距離，現(xiàn)有工程計(jì)算及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)仍然是動(dòng)量葉素理論，它也是目前國際風(fēng)電行業(yè)性能、載荷計(jì)算軟件的理論基礎(chǔ)。

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)一般由葉片廠商根據(jù)風(fēng)電機(jī)組總裝廠的要求，同時(shí)根據(jù)市場(chǎng)上同類葉片運(yùn)行參數(shù)確定部分主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。因?yàn)槿~片設(shè)計(jì)出來是要面對(duì)市場(chǎng)的，如果主要參數(shù)差異較大，則面臨市場(chǎng)面較窄，從面影響企業(yè)的發(fā)展。葉片設(shè)計(jì)參數(shù)包括風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪參數(shù)和葉片本身的技術(shù)參數(shù)，一般包括：

(1)風(fēng)輪葉片數(shù)。由于三葉片的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和輸出功率比較平穩(wěn)，現(xiàn)代MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組一般為三葉片，二葉片比較罕見。

(2)額定風(fēng)速。直接影響到風(fēng)力機(jī)的尺寸和成本，在此風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)組輸出額定功率。知道了平均風(fēng)速和風(fēng)速的頻度，就可以按一定的原則來確定風(fēng)速的大小，一般由風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠商根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的勘測(cè)數(shù)據(jù)確定。

(3)風(fēng)輪直徑。由葉片適用的風(fēng)區(qū)，如果是IECI類風(fēng)區(qū)，額定風(fēng)速較高，風(fēng)輪直徑會(huì)較小;相反，如果是IECII類風(fēng)區(qū)或更差，要求額定風(fēng)速會(huì)更低，風(fēng)輪直徑更大。確定了風(fēng)輪直徑，根據(jù)輪轂半徑及風(fēng)輪錐角等可得出葉片的長(zhǎng)度。

(4)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。一般應(yīng)先確定葉片運(yùn)行的尖速比范圍，在設(shè)計(jì)的尖速比上，所有的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)接近于它們的最佳值，以及風(fēng)輪效率達(dá)到最大值。目前運(yùn)行的大功率風(fēng)機(jī)都具有較高的尖速比，在6~8范圍內(nèi)，此類風(fēng)機(jī)具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，同時(shí)較高尖速比的風(fēng)力機(jī)葉片成本也低。根據(jù)風(fēng)輪設(shè)計(jì)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定的尖速比應(yīng)在此范圍內(nèi)。由于控制氣動(dòng)噪聲的原因，葉尖線速度一般在70m/s附近(海上風(fēng)電機(jī)組略有放開)，這決定了風(fēng)輪的最大轉(zhuǎn)速。

(5)風(fēng)輪仰角和風(fēng)輪錐角，防止葉尖與塔架碰撞。

(6)翼形族的選擇。失速型葉片必須選擇失速性能優(yōu)良的翼型，變速變距葉片一般選擇具有良升阻比特性的翼型。為滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，葉片根部一般選用大厚度翼型，其相對(duì)厚度根據(jù)強(qiáng)度要求從根端的100%(圓形)過渡到40%左右。翼型的空氣動(dòng)力學(xué)特性是葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行迎角范圍是-180°~180°，雷諾數(shù)的范圍也比較寬，在106~107之間。

2.2動(dòng)量葉素理論

2.2.1動(dòng)量理論

動(dòng)量理論(MomentumTheory)定義了一個(gè)通過風(fēng)輪平面的理想流管，見圖1，

分別表示來流風(fēng)速、流過風(fēng)輪風(fēng)速、風(fēng)輪后尾流速度[3]。

圖1動(dòng)量理論理想流管

應(yīng)用動(dòng)量方程和伯努力方程可以推導(dǎo)出軸向力T和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩Q的表達(dá)式：

式中： 軸向誘導(dǎo)因子

切向誘導(dǎo)速度

P為空氣密度;

u為風(fēng)輪平面風(fēng)的角速度;

Q為風(fēng)輪的角速度;

R為風(fēng)輪平面的半徑[2]。

2.2.2葉素理論

葉素理論(BladeElementTheory)的基本出發(fā)點(diǎn)是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。假設(shè)在每個(gè)葉素上的流動(dòng)相互之間沒有干擾，即將葉素看成二維翼型，這時(shí)將作用在每個(gè)葉素上的力和力矩沿展向積分，就可以求得作用在風(fēng)輪上的力和力矩。

圖2葉素上的氣流速度三角形和空氣動(dòng)力分量

由圖上速度三角形可導(dǎo)出：

(1)

(2)

 計(jì)算法向力系數(shù)

和切向力系數(shù)

：

(3)

　　其中Cl、Cd為葉素翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

　　長(zhǎng)度為

葉素上的空氣動(dòng)力合力

可以分解成法向力

和切向力

：

　　這時(shí)，作用在風(fēng)輪平面

圓環(huán)上的軸向力(推力)和轉(zhuǎn)距可表示為：

(4)

2.2.3動(dòng)量葉素理論

動(dòng)量一葉素理論(BEMTheory)結(jié)合動(dòng)量理論和葉素理論，計(jì)算出風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b。

(5)

(6)

2.3普朗特修正因子[3]

加入普朗特葉尖和葉根修正因子F，式(5)(6)變成：

(7)

(8)

2.4Glarert修正因子[4]

當(dāng)風(fēng)輪葉片部分進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)量方程不再適用;這時(shí)，引用Glarert修正方法。

當(dāng)a>0.2時(shí)，a由下式計(jì)算;

(9)

　　式中，

2.5氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)計(jì)算過程

入流因子計(jì)算流程如下：①給定a、b的初值，取a=0.3，b=0;②利用式(1)計(jì)算入流角;③利用式(2)計(jì)算迎角;④根據(jù)翼型空氣動(dòng)力特性表得到葉素的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd;⑤根據(jù)式(3)計(jì)算葉輪平面法向力系數(shù)Cn和切相力系數(shù)Ct;⑥利用式(7)、(8)計(jì)算a、b的新值;⑦比較a、b的值與上一次a、b的值，如果誤差小于設(shè)定誤差(0.001)，則迭代終止;否則，再回到2步繼續(xù)迭代;⑧迭代中，若a>0.2時(shí)，利用式(9)計(jì)算。

進(jìn)一步可求得風(fēng)輪平面圓

環(huán)上的軸向力dT(推力)和轉(zhuǎn)距dM，對(duì)三葉片的葉素分量求和可以計(jì)算出風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩M，主軸功率P和推力T，并計(jì)算出風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp和推力系數(shù)CT[2]。

2.6優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用直接優(yōu)化的方法，基于動(dòng)量葉素理論建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)單目標(biāo)多變量的最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：

式中Cp為風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)，λdesign為設(shè)計(jì)葉片尖速比。

設(shè)計(jì)變量是沒展向變化的剖面弦長(zhǎng)c、扭角θ和相對(duì)厚度tr，約束條件是各變量的上下限值以及葉片廠商提出的約束。

2.7實(shí)例設(shè)計(jì)

下面就我院自行設(shè)計(jì)的2MW風(fēng)電機(jī)組葉片，驗(yàn)證氣動(dòng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。由廠家提出的葉片設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)目標(biāo)為風(fēng)輪最大風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到0.48。

該葉片翼形族采用NACA634系列翼型，并在此基礎(chǔ)上提出了修改，增加后緣的厚度，在提升翼型升力的同時(shí)，增加葉片的側(cè)向剛度，翼形升力系數(shù)和阻力系數(shù)由GarradHassen公司進(jìn)行了校正。

經(jīng)過幾輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與結(jié)構(gòu)計(jì)算相協(xié)調(diào)，確定了葉片的氣動(dòng)外形。

　　圖3 2MW葉片的外形尺寸

　　完成外形設(shè)計(jì)后，由Bladed[5]軟件進(jìn)行了氣動(dòng)性能校核計(jì)算：

　　圖4不同安裝用下的風(fēng)能利用系數(shù)曲線

計(jì)算結(jié)果表明：最大風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到0.482，發(fā)生在尖速比8.4附近，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。在6.75~10.75的尖速比范圍內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)都超過0.45。

　　圖5風(fēng)電機(jī)組功率曲線

由圖5可以看出，在12m/s的風(fēng)速時(shí)，已達(dá)到額定功率2MW，留有較大的風(fēng)速空間。

3 葉片的載荷分析

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的外界環(huán)境下，所承受載荷情況也非常多，根據(jù)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間的變化，可以將載荷情況劃分為靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷和隨機(jī)載荷。動(dòng)態(tài)載荷和隨機(jī)載荷具有時(shí)間上和空間上的多變性和隨機(jī)性，要想準(zhǔn)確計(jì)算比較困難。而靜態(tài)載荷基本上不考慮風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變，僅考慮環(huán)境條件改變的情況，現(xiàn)就風(fēng)力機(jī)的這種靜態(tài)載荷計(jì)算作一簡(jiǎn)要討論。

　　圖6葉片載荷計(jì)算坐標(biāo)系

風(fēng)力機(jī)依靠葉輪將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉輪是風(fēng)力機(jī)最主要的承載部件。葉輪主要承受三種力：空氣動(dòng)力、重力和離心力。具體的計(jì)算方法參見相關(guān)文獻(xiàn)[2]，這里不再贅述。

載荷計(jì)算是后續(xù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和試驗(yàn)的基礎(chǔ)，本文在計(jì)算時(shí)，參照IEC61400-1Ed2《Windturbinegeneratorsystems-Part1:Safetyrequirements》計(jì)算，具體的工況設(shè)計(jì)見下表1。

　　表1IEC設(shè)計(jì)載荷工況

每個(gè)分類工況下，按照方位角或入流角或來流風(fēng)速的不同，又有多種工況。在工況設(shè)計(jì)完畢，利用Bladed軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬之后，對(duì)葉片上的載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出極限載荷下葉片上的彎矩分布;同時(shí)進(jìn)行按Weibull風(fēng)速風(fēng)布，進(jìn)行20年壽命里的雨流統(tǒng)計(jì)，得出其載荷譜，然后按等效損傷原理進(jìn)行等效疲勞載荷計(jì)算，得出葉片的等效疲勞載荷譜，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算葉片的疲勞損傷和進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

結(jié)合本例，2MW葉片沒展向的極限載荷彎矩圖如下：

　　8 2MW葉片揮舞方向極限彎矩分布

4 結(jié)論

(1)本文以動(dòng)量-葉素理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算的要求，進(jìn)行了大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，并用Bladed軟件進(jìn)行了氣動(dòng)性能分析，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)按照IEC風(fēng)電機(jī)組安全規(guī)范進(jìn)行葉片的工況設(shè)計(jì)和載荷計(jì)算，得出葉片的極限載荷和疲勞載荷，介紹了載荷計(jì)算的方法與結(jié)果的分析。

(3)2MW風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)已通過了中國船級(jí)社產(chǎn)品認(rèn)證部的認(rèn)證，驗(yàn)證了氣動(dòng)設(shè)計(jì)和載荷分析的正確性，為我國風(fēng)電葉片的國產(chǎn)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。