1引言

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，其主要機型的額定功率從以前的幾百千瓦級發(fā)展到現(xiàn)在的1～3MW，甚至更大。風(fēng)力機功率的加大使得其葉輪的直徑不斷加大，目前一臺1.5MW風(fēng)力發(fā)電機的葉輪直徑可達80m左右。與此同時，還需要使其盡可能的輕巧和高效，這就使得風(fēng)力機葉片的設(shè)計變得非常復(fù)雜。

我國近年來對風(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，我國除臺灣省外新增風(fēng)電機組5130多臺，新增裝機容量約624.6萬kW，當(dāng)年新增裝機增長率為89%，累計裝機容量約1215.3萬kW，建立了一批新的大型風(fēng)電機組生產(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)電機組自主設(shè)計生產(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)計技術(shù)卻往往掌握在國外設(shè)計公司手里，特別是大容量風(fēng)力機的能力。本文針對2MW風(fēng)電機組葉片，完成了葉片的外形設(shè)計和載荷計算。

2 葉片的氣動外形設(shè)計

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

2.1設(shè)計參數(shù)

設(shè)計參數(shù)一般由葉片廠商根據(jù)風(fēng)電機組總裝廠的要求，同時根據(jù)市場上同類葉片運行參數(shù)確定部分主要的設(shè)計參數(shù)。因為葉片設(shè)計出來是要面對市場的，如果主要參數(shù)差異較大，則面臨市場面較窄，從面影響企業(yè)的發(fā)展。葉片設(shè)計參數(shù)包括風(fēng)電機組風(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)電機組的運行和輸出功率比較平穩(wěn)，現(xiàn)代MW級風(fēng)電機組一般為三葉片，二葉片比較罕見。

(2)額定風(fēng)速。直接影響到風(fēng)力機的尺寸和成本，在此風(fēng)速下，風(fēng)力機組輸出額定功率。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)電機組整機廠商根據(jù)風(fēng)場的勘測數(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)輪直徑會較小;相反，如果是IECII類風(fēng)區(qū)或更差，要求額定風(fēng)速會更低，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度。

(4)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。一般應(yīng)先確定葉片運行的尖速比范圍，在設(shè)計的尖速比上，所有的空氣動力學(xué)參數(shù)接近于它們的最佳值，以及風(fēng)輪效率達到最大值。目前運行的大功率風(fēng)機都具有較高的尖速比，在6~8范圍內(nèi)，此類風(fēng)機具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，同時較高尖速比的風(fēng)力機葉片成本也低。根據(jù)風(fēng)輪設(shè)計風(fēng)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速確定的尖速比應(yīng)在此范圍內(nèi)。由于控制氣動噪聲的原因，葉尖線速度一般在70m/s附近(海上風(fēng)電機組略有放開)，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)計的需要，葉片根部一般選用大厚度翼型，其相對厚度根據(jù)強度要求從根端的100%(圓形)過渡到40%左右。翼型的空氣動力學(xué)特性是葉片氣動設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)，風(fēng)力機葉片的運行迎角范圍是-180°~180°，雷諾數(shù)的范圍也比較寬，在106~107之間。

2.2動量葉素理論

2.2.1動量理論

動量理論(MomentumTheory)定義了一個通過風(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動量理論理想流管

應(yīng)用動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)在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，即將葉素看成二維翼型，這時將作用在每個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力分量

由圖上速度三角形可導(dǎo)出：

(1)

(2)

 計算法向力系數(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)。

　　長度為

葉素上的空氣動力合力

可以分解成法向力

和切向力

：

　　這時，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動量葉素理論

動量一葉素理論(BEMTheory)結(jié)合動量理論和葉素理論，計算出風(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)輪葉片部分進入渦環(huán)狀態(tài)時，動量方程不再適用;這時，引用Glarert修正方法。

當(dāng)a>0.2時，a由下式計算;

(9)

　　式中，

 

 

2.5氣動外形設(shè)計計算過程

入流因子計算流程如下：①給定a、b的初值，取a=0.3，b=0;②利用式(1)計算入流角;③利用式(2)計算迎角;④根據(jù)翼型空氣動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，利用式(9)計算。

進一步可求得風(fēng)輪平面圓

環(huán)上的軸向力dT(推力)和轉(zhuǎn)距dM，對三葉片的葉素分量求和可以計算出風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩M，主軸功率P和推力T，并計算出風(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

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

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

設(shè)計變量是沒展向變化的剖面弦長c、扭角θ和相對厚度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實例設(shè)計

下面就我院自行設(shè)計的2MW風(fēng)電機組葉片，驗證氣動設(shè)計的結(jié)果。由廠家提出的葉片設(shè)計的參數(shù)如下：

設(shè)計目標(biāo)為風(fēng)輪最大風(fēng)能利用系數(shù)達到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，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公司進行了校正。

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

　　圖3 2MW葉片的外形尺寸

　　完成外形設(shè)計后，由Bladed[5]軟件進行了氣動性能校核計算：

　　圖4不同安裝用下的風(fēng)能利用系數(shù)曲線

 

計算結(jié)果表明：最大風(fēng)能利用系數(shù)達到0.482，發(fā)生在尖速比8.4附近，滿足設(shè)計目標(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)電機組功率曲線

由圖5可以看出，在12m/s的風(fēng)速時，已達到額定功率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)電機運行在復(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)力機運行狀態(tài)隨時間的變化，可以將載荷情況劃分為靜態(tài)載荷、動態(tài)載荷和隨機載荷。動態(tài)載荷和隨機載荷具有時間上和空間上的多變性和隨機性，要想準(zhǔn)確計算比較困難。而靜態(tài)載荷基本上不考慮風(fēng)力機運行狀態(tài)的改變，僅考慮環(huán)境條件改變的情況，現(xiàn)就風(fēng)力機的這種靜態(tài)載荷計算作一簡要討論。

　　圖6葉片載荷計算坐標(biāo)系

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

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

　　表1IEC設(shè)計載荷工況

每個分類工況下，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)計完畢，利用Bladed軟件進行動態(tài)模擬之后，對葉片上的載荷進行統(tǒng)計和分析，得出極限載荷下葉片上的彎矩分布;同時進行按Weibull風(fēng)速風(fēng)布，進行20年壽命里的雨流統(tǒng)計，得出其載荷譜，然后按等效損傷原理進行等效疲勞載荷計算，得出葉片的等效疲勞載荷譜，并在此基礎(chǔ)上計算葉片的疲勞損傷和進行疲勞試驗。

結(jié)合本例，2MW葉片沒展向的極限載荷彎矩圖如下：

圖7 2MW葉片拍動方向極限彎矩分布圖

　　8 2MW葉片揮舞方向極限彎矩分布

4 結(jié)論

(1)本文以動量-葉素理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)計算的要求，進行了大型風(fēng)力機復(fù)合材料葉片的氣動外形設(shè)計，并用Bladed軟件進行了氣動性能分析，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

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

(3)2MW風(fēng)電機組葉片的設(shè)計已通過了中國船級社產(chǎn)品認證部的認證，驗證了氣動設(shè)計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)。