風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，取之不盡，用之不竭，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，為了提高風(fēng)能捕獲，降低度電成本，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量也從最初的十幾千瓦發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級(jí)，甚至向十兆瓦級(jí)、幾十兆瓦級(jí)邁進(jìn)。目前，全球運(yùn)行的最大單機(jī)容量風(fēng)電機(jī)組，其額定功率達(dá)到8MW。
葉片作為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)換風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)于整個(gè)機(jī)組的性能和可靠性至關(guān)重要。然而，葉片大型化也帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)：(1)質(zhì)量增加；(2)制造與可靠性；(3)材料成本；(4)運(yùn)輸；(5)氣彈穩(wěn)定性(顫振)；(6)屈曲；(7)重力導(dǎo)致的疲勞載荷；(8)海上風(fēng)況應(yīng)用。同時(shí)，不斷出現(xiàn)的新技術(shù)也為葉片的大型化提供支撐[1]：新的翼型、材料以及新的葉片型式；多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；主動(dòng)和被動(dòng)的降載技術(shù)；顫振抑制技術(shù)等。
據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)(GWEC)，2015年全球新增裝機(jī)容量首次超過(guò)60GW，2000–2015年43年間累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432.9GW。亞洲裝機(jī)量繼續(xù)引領(lǐng)全球市場(chǎng)，歐洲和北美緊隨其后，其中，中國(guó)自2009年以來(lái)，一直保持全球最大市場(chǎng)地位。2015年的新增裝機(jī)量和至2015年底的累積裝機(jī)量均居全球首位(見表1)?；跉夂蜃兓?，風(fēng)電價(jià)格下降以及美國(guó)市場(chǎng)穩(wěn)定的預(yù)期，GWEC預(yù)測(cè)在未來(lái)五年內(nèi)，亞洲市場(chǎng)仍將保持在50%以上，歐洲市場(chǎng)穩(wěn)步增加，北美市場(chǎng)將出現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)，到2020年，全球累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到792.1GW?？梢钥闯觯L(fēng)電葉片的市場(chǎng)仍然具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/div>
a)以上數(shù)據(jù)來(lái)源于GWEC報(bào)告
隨著全球風(fēng)電市場(chǎng)轉(zhuǎn)向低風(fēng)速和海上風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)能開發(fā)，葉片不斷增長(zhǎng)。目前為止，已經(jīng)生產(chǎn)的全球最長(zhǎng)風(fēng)電葉片長(zhǎng)88.4m，由丹麥LM公司和Adwen公司共同開發(fā)，配套8MW的海上風(fēng)電機(jī)組。此外，達(dá)到80m及以上長(zhǎng)度的風(fēng)電葉片包括丹麥SSPtechnology生產(chǎn)的83.5m葉片、德國(guó)EUROS設(shè)計(jì)開發(fā)的81.6m葉片以及Vestas設(shè)計(jì)制造的80m葉片，它們將分別用于韓國(guó)三星的7MW海上風(fēng)電機(jī)組、日本三菱的7MW海上風(fēng)電機(jī)組和Vestas的8MW海上風(fēng)電機(jī)組。而更長(zhǎng)的葉片已處于設(shè)計(jì)階段[1，3，4]。在氣動(dòng)性能方面，目前公開報(bào)道的商用風(fēng)機(jī)的最大功率系數(shù)超過(guò)0.5，由德國(guó)Enercon公司設(shè)計(jì)研發(fā)，通過(guò)綜合優(yōu)化葉尖、葉根過(guò)渡段以及機(jī)艙幾何外型得到。在重量方面，英國(guó)Bladedynamics公司采用模塊化的葉片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，生產(chǎn)了一支世界上最輕的49m葉片，并已通過(guò)GL認(rèn)證，該技術(shù)將被用于100m長(zhǎng)的風(fēng)電葉片開發(fā)，目前該公司已被美國(guó)GE風(fēng)電收購(gòu)。
在海上風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面，西門子得益于歐洲海上風(fēng)電市場(chǎng)的迅猛發(fā)展和自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)走在世界前列，其采用IntegralBlades葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)生產(chǎn)的58.5m葉片已廣泛用于海上3.6MW風(fēng)電機(jī)組上，沿用此技術(shù)開發(fā)的75m葉片將批量生產(chǎn)并配套西門子7MW機(jī)組用于英國(guó)東海岸東安格利亞一號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)。我國(guó)葉片廠商也緊跟國(guó)際海上風(fēng)電發(fā)展腳步，目前配套海上6MW風(fēng)電機(jī)組的葉片有中材科技的77.7m葉片，中復(fù)聯(lián)眾的75m葉片，艾朗風(fēng)電的75m葉片，但其設(shè)計(jì)技術(shù)仍然依賴國(guó)外葉片設(shè)計(jì)公司，如Windnovation，Aerodyn等。
在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用方面，得益于國(guó)內(nèi)低風(fēng)速區(qū)的大規(guī)模開發(fā)以及葉片設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)的葉片制造廠商走在了世界前列。目前，中科宇能自主研發(fā)生產(chǎn)了2MW級(jí)最長(zhǎng)風(fēng)電葉片，其長(zhǎng)度為59.5m。其他葉片廠商，如中材科技、中復(fù)聯(lián)眾、國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力、時(shí)代新材、中科宇能、艾朗風(fēng)電、吉林重通成飛等都有50m級(jí)2MW的批量產(chǎn)品。但在低風(fēng)速葉片設(shè)計(jì)方面，一些廠商仍然依賴國(guó)外葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，不具備完全自主設(shè)計(jì)能力。
從總體上看，目前我國(guó)提供了全球最大的單一風(fēng)電市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)葉片廠商在大型葉片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，尤其是在低風(fēng)速葉片開發(fā)和應(yīng)用上走在世界前列。但在大型葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還有一定差距，沒有先進(jìn)的獨(dú)特技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用。
2大型風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
隨著葉片的大型化，葉片的運(yùn)行雷諾數(shù)、載荷和重量不斷增大，設(shè)計(jì)高效、低載以及輕質(zhì)的葉片成為葉片廠商和研究者們不斷追求的目標(biāo)。因此，一些新的翼型、材料、葉片結(jié)構(gòu)、制造工藝及設(shè)計(jì)方法不斷出現(xiàn)，并逐漸應(yīng)用到工程實(shí)踐中。
2.1氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是尋求最佳的葉片外形，使得葉片在具備較高的風(fēng)能捕獲能力的同時(shí)，產(chǎn)生相對(duì)較小的載荷。
葉片翼型
作為葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基本要素翼型，對(duì)葉片的氣動(dòng)性能和載荷特性起著非常關(guān)鍵作用。早期的風(fēng)電葉片翼型選自于航空翼型，如NACA系列翼型。但隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)力機(jī)與航空飛行器在運(yùn)行環(huán)境以及流場(chǎng)特征方面的差異，如較低的運(yùn)行雷諾數(shù)、高來(lái)流湍流強(qiáng)度、多工況運(yùn)行及表面易污染等特點(diǎn)，開始轉(zhuǎn)向風(fēng)力機(jī)專用翼型的開發(fā)。從20世紀(jì)80年代起，美國(guó)、瑞典、荷蘭、丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛展開了風(fēng)力機(jī)專用翼型的研究，并取得了一定成果。它們是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL)提出的S系列翼型、瑞典航空研究院設(shè)計(jì)的FFA系列翼型、荷蘭Deft大學(xué)設(shè)計(jì)的DU系列翼型、丹麥Ris?國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Ris?系列翼型。這些翼型的最大相對(duì)厚度達(dá)到53%，在升力系數(shù)、升阻比、粗燥度敏感、失速特性上均具有較好的性能。其中，DU系列翼型更是在風(fēng)電行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用。隨著人們對(duì)風(fēng)力機(jī)性能要求的提高和流場(chǎng)特征認(rèn)識(shí)的加深，新翼型的開發(fā)正在持續(xù)進(jìn)行。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多所研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)專用翼型研發(fā)。如中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)的CAS系列翼型，其翼型最大相對(duì)厚度達(dá)到了60%，且采用鈍尾緣設(shè)計(jì)，具有較好的結(jié)構(gòu)特性和氣動(dòng)特性，對(duì)提高葉片過(guò)渡段附近的氣動(dòng)性能具有重要意義；西北工業(yè)大學(xué)研的NPU-WA系列翼型，其設(shè)計(jì)雷諾數(shù)達(dá)到了5×106，且在此雷諾數(shù)下具有較好的氣動(dòng)特性，對(duì)開發(fā)大型葉片具有重要價(jià)值；汕頭大學(xué)和重慶大學(xué)分別將噪聲要求引入到翼型的設(shè)計(jì)中，獲得了低噪聲的風(fēng)力機(jī)翼型?？傊?，葉片大型化使得翼型運(yùn)行的雷諾數(shù)不斷提高，尋求高雷諾數(shù)下，氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和噪聲等性能綜合較優(yōu)的翼型是未來(lái)風(fēng)力機(jī)專用翼型開發(fā)的方向。
氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
除翼型外，葉片的氣動(dòng)外形主要由弦長(zhǎng)、扭角、厚度及基疊軸位置等參數(shù)沿展向的分布情況決定。而葉片的氣動(dòng)外形對(duì)葉片的最大功率系數(shù)，年發(fā)電量以及葉片載荷有重要影響，因此，葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量、多目標(biāo)問(wèn)題。
目前的葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法有兩大類，一類是解析方法，一類是數(shù)值方法。其中解析方法主要是根據(jù)動(dòng)量葉素理論，即BEM理論，直接推導(dǎo)得到。在不考慮阻力損失和葉尖損失的條件下，根據(jù)BEM理論可以得到葉片的最優(yōu)氣動(dòng)外形滿足如下方程：
依據(jù)式(1)和式(2)，通過(guò)選取設(shè)計(jì)尖速比，以及各截面設(shè)計(jì)升力系數(shù)，可以計(jì)算出各截面弦長(zhǎng)。依據(jù)設(shè)計(jì)升力系數(shù)對(duì)應(yīng)的攻角和入流角計(jì)算出截面扭角。該方法形式簡(jiǎn)單，無(wú)需迭代調(diào)整，設(shè)計(jì)速度快。適合初始設(shè)計(jì)。但由于它沒有考慮各截面弦長(zhǎng)、扭角之間的相關(guān)性，相鄰截面之間很可能不能光順過(guò)度，工藝可操作性差。
數(shù)值方法主要包括正問(wèn)題方法和反問(wèn)題方法。在采用正問(wèn)題方法設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或是采用式(1)得到的葉片弦長(zhǎng)、扭角和厚度分布，利用BEM加修正模型的方法或渦方法或CFD方法(如Aerodyn，Bladed，F(xiàn)OCUS，F(xiàn)LUENT，WT_perf)進(jìn)行葉片的氣動(dòng)性能分析，通過(guò)手動(dòng)迭代或采用優(yōu)化算法進(jìn)行自動(dòng)迭代得到滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的葉片外形參數(shù)。在自動(dòng)迭代方法中，設(shè)計(jì)者可以對(duì)葉片各截面的弦長(zhǎng)、扭角等參數(shù)進(jìn)行光順性約束，可以對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行單目標(biāo)和多目標(biāo)設(shè)置。因此，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)外形具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能和工藝可操作性，如美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的HARP_Opt軟件。此外，為了設(shè)計(jì)出更高性能的葉片外形，F(xiàn)ischer等人提出了一種新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，它主要是突破了標(biāo)準(zhǔn)翼型限制，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷修改截面翼型，采用Xfoil軟件分析得到的參數(shù)化翼型，計(jì)算新翼型的升阻力系數(shù)等氣動(dòng)性能參數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行葉片的氣動(dòng)性能分析，最終迭代得到滿足設(shè)計(jì)要求的氣動(dòng)外形。該方法的最大缺點(diǎn)是修改后的翼型，其氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以評(píng)估。在反問(wèn)題設(shè)計(jì)方面，目前只有PROPID軟件。它是基于BEM理論開發(fā)，可以設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)者設(shè)定的徑向升力系數(shù)分布和軸向誘導(dǎo)因子分布要求的葉片，目前應(yīng)用較少。總的來(lái)看，未來(lái)幾年大型葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)仍將以正問(wèn)題方法尤其是優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為主。隨著葉片的大型化，葉片的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)耦合愈加明顯，進(jìn)行葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為一種趨勢(shì)。
氣動(dòng)分析方法
大型風(fēng)電葉片的氣動(dòng)分析方法許多，根據(jù)求解模型的角度不同，氣動(dòng)分析方法可以分成3類：BEM方法、渦方法以及CFD方法。
CFD方法在以上3類方法中精度最高，能夠得到葉片周圍高精度的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。常常用于葉片的氣動(dòng)性能評(píng)估、繞流流場(chǎng)分析以及尾流特性分析等。該方法假設(shè)前提少，在葉片的非定常計(jì)算分析中更具優(yōu)勢(shì)。但由于風(fēng)力機(jī)三維流場(chǎng)多尺度性，來(lái)流風(fēng)況的非定常、高湍流特性，葉片表面的不規(guī)則性，采用該方法計(jì)算非常復(fù)雜耗時(shí)，通常要在并行機(jī)或超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，限制了其在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
渦方法的核心思想是將風(fēng)力機(jī)三維流場(chǎng)中的渦量分布簡(jiǎn)化為集中分布的線渦和面渦等形式，配合以剛性尾渦或自由尾渦模型進(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的計(jì)算。根據(jù)葉片附著渦量簡(jiǎn)化形式不同，又可分為升力線模型、升力面模型和三維面元模型。與升力線模型和升力面模型相比，三維面元模型不需要翼型的二維實(shí)驗(yàn)升阻力系數(shù)，計(jì)算精度更高。同時(shí)與CFD模型相比，其提高了三維流場(chǎng)的計(jì)算效率。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所]通過(guò)將面元模型分別同邊界層模型以及降階模型相結(jié)合，使面元模型的粘性計(jì)算能力得到拓展，且大分離流的計(jì)算精度得以提高。
BEM方法在3類方法中計(jì)算時(shí)間最短(一般葉片性能的計(jì)算只需幾秒鐘)。它將葉片分成多個(gè)葉素獨(dú)立計(jì)算，容易與葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型融合。因此，它是目前工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的葉片氣動(dòng)性能計(jì)算方法，也被目前商用的風(fēng)力機(jī)專用軟件GHBladed和FOCUS所采用。當(dāng)然，由于其較大地簡(jiǎn)化了實(shí)際風(fēng)輪模型，在非定常模擬以及局部氣動(dòng)性能分析上，存在較大誤差。因此，為了提高該方法的計(jì)算精度，一些結(jié)合理論推導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)公式的修正模型不斷產(chǎn)生[31，32]。
目前為止，一些學(xué)者對(duì)以上不同的分析方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們的計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。但由于風(fēng)電葉片的非定常氣動(dòng)特性求解復(fù)雜，用于BEM修正的模型往往是基于近似理論或經(jīng)驗(yàn)修正公式，其正確性通常在一定條件下成立，如動(dòng)態(tài)失速模型。因此需要進(jìn)一步研究改進(jìn)以擴(kuò)展其適用范圍。
2。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是尋求保持葉片氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的葉片材料鋪層參數(shù)。
葉片材料
材料是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)葉片的氣彈響應(yīng)特性以及結(jié)構(gòu)性能具有非常重要作用。風(fēng)電葉片材料在經(jīng)歷了木材、布蒙皮、金屬蒙皮以及鋁合金后，目前已經(jīng)基本被玻璃鋼復(fù)合材料取代。這主要是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：(1)可根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度，最大限度地減輕葉片質(zhì)量；(2)容易成型；(3)缺口敏感性低，疲勞性能好；(4)內(nèi)阻尼大，抗震性能好；(5)耐腐蝕性、耐候性好；(6)維修方便、易于修補(bǔ)。玻璃纖維復(fù)合材料葉片主要包括以下4類材料：玻璃纖維、樹脂、黏結(jié)劑及芯材。根據(jù)葉片各部分的受力特點(diǎn)和功能屬性，這些材料應(yīng)用在不同的葉片位置，同時(shí)對(duì)于不同材料的性能要求也各有側(cè)重。目前常用的玻璃纖維為E-玻璃纖維，隨著葉片的長(zhǎng)度增加，對(duì)玻璃纖維的強(qiáng)度、模量等屬性提出了更高要求，因此一些更高性能的玻璃纖維已經(jīng)出現(xiàn)，如法國(guó)Saint-Gobain集團(tuán)的H玻纖；中國(guó)中材科技股份有限公司的HS2和HS4高強(qiáng)硅-鋁-鎂玻璃纖維；重慶同際復(fù)合材料有限公司的無(wú)硼無(wú)氟環(huán)保型TM粗紗等。為進(jìn)一步減少葉片質(zhì)量，碳纖維逐漸應(yīng)用到大型風(fēng)電葉片中，如Vestas的80m葉片，SSP的83.5m葉片，中材的77.7m葉片。已有的研究表明，碳纖維風(fēng)電葉片相比玻璃纖維葉片減重可達(dá)30%以上。這主要是因?yàn)椋禾祭w維增強(qiáng)材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的2–3倍，其抗拉強(qiáng)度是玻璃纖維的1。12–1。44倍，且具有較高的抗壓縮強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和優(yōu)良的阻尼特性。此外，碳纖維的導(dǎo)電性還能避免雷擊。其缺點(diǎn)主要是：(1)韌性差，形變量不足，耐磨性及止滑性不佳，脆性較大；(2)價(jià)格昂貴；(3)容易受工藝影響(如鋪層方向)，浸潤(rùn)性較差，對(duì)工藝要求較高；(4)成品透明性差，且難于進(jìn)行內(nèi)部檢查。為了利用碳纖維高強(qiáng)高模的特性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)控制葉片成本，碳?；旌霞夹g(shù)已經(jīng)成為大型葉片重要研究和應(yīng)用方向。目前主要有兩種途徑，一種是在葉片的主承力位置鋪設(shè)碳纖維，如梁帽、前后緣等，而在其他地方仍使用玻璃纖維。一種是直接將碳纖/玻纖混織成一體，然后作為一種材料進(jìn)行鋪設(shè)和制造。近幾年來(lái)，性能更佳的碳納米管(CNTs)也得到研究人員和原材料廠商重視，相關(guān)的應(yīng)用研究已經(jīng)開始[34，38]，如果能夠較好地解決CNTs在樹脂中的團(tuán)聚問(wèn)題，則該材料有望成為大型葉片的另一種重要材料。
隨著人們對(duì)環(huán)保的要求越來(lái)越高，廢棄葉片的處理已經(jīng)逐漸成為一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。目前大多數(shù)葉片采用聚酯樹脂、乙烯基脂以及環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂基體制成。這類葉片既難然燒，又難降解，占用大量土地。研究低成本、可回收利用的綠色環(huán)保復(fù)合材料已成為目前重要研究方向。其中熱塑性復(fù)合材料受到了科研人員和葉片廠商的廣泛關(guān)注。因?yàn)?，相比于熱固性?fù)合材料，它具有以下優(yōu)點(diǎn)[39]：(1)可以回收；(2)成型工藝簡(jiǎn)單，可以焊接；(3)比強(qiáng)度高；(4)一些機(jī)械性能好，如比剛度、延伸率、破壞容許極限均較高，延展性好；(5)耐腐蝕性好；(6)固化周期短。其缺點(diǎn)是熱塑性樹脂的熔融黏度高，工藝能耗高，耐疲勞性差。因此，尋求低熔融黏度高力學(xué)性能的樹脂成為熱塑性復(fù)合材料的研究重點(diǎn)。此外，生物質(zhì)纖維材料的相關(guān)研究也已開展并嘗試在葉片生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用[40–43]。但由于此類材料與玻璃鋼復(fù)合材料相比，綜合性能較差，如竹制復(fù)合材料葉片強(qiáng)度低，亞麻纖維葉片制造成本高。還有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
目前，大型風(fēng)電葉片主要由殼體，大梁，腹板，葉根增強(qiáng)、前尾緣增強(qiáng)以及防雷系統(tǒng)等部分組成。因此，葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)以上各部分的功能特點(diǎn)進(jìn)行合理的材料布置。
葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素眾多，如模態(tài)分析、剛度分析、極限強(qiáng)度分析和疲勞分析。模態(tài)分析要求葉片的固有頻率避開整機(jī)的共振區(qū)間；剛度分析主要是控制葉片變形，滿足葉尖與塔筒間隙的設(shè)計(jì)要求；極限強(qiáng)度分析要求葉片在極限載荷作用下，材料和結(jié)構(gòu)滿足極限強(qiáng)度和屈曲穩(wěn)定性要求；疲勞分析則是要求葉片各材料滿足20年甚至是更高年限的使用壽命。隨著葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，一些以往不太關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能逐漸成為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要設(shè)計(jì)指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)膠的極限與疲勞強(qiáng)度分析、基體材料的IFF分析、非線性屈曲分析和鋪層工藝的可操作性等。此外，葉片大型化和柔性化帶來(lái)一些新的問(wèn)題，如葉片的一階扭轉(zhuǎn)頻率越來(lái)越低，葉片氣彈發(fā)散以及顫振穩(wěn)定性邊界逐漸降低[44]，甚至威脅風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，因此，葉片氣彈穩(wěn)定性分析將是未來(lái)大型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要內(nèi)容，如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高葉片的氣彈穩(wěn)定性具有重要意義。還有葉片的幾何非線性問(wèn)題，它對(duì)葉片的氣彈耦合特性將產(chǎn)生重要影響，如葉片載荷。總之，為了設(shè)計(jì)更好的葉片，需要分析的設(shè)計(jì)指標(biāo)會(huì)越來(lái)越全面。
在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方面，目前幾乎均采用正問(wèn)題方法進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。也就是依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和材料特性給定鋪層或等比例放大已有的葉片鋪層，利用工程梁模型或有限元模型(如FOCUS，BModes[45]，ANSYS，ABAQUS)進(jìn)行葉片的各項(xiàng)性能分析，通過(guò)手動(dòng)迭代或自動(dòng)迭代的方法得到滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的葉片鋪層信息，包括各材料位置、厚度、角度、疊放順序等參數(shù)。而在自動(dòng)迭代分析時(shí)，往往借助智能優(yōu)化算法進(jìn)行(如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法)。由于葉片結(jié)構(gòu)鋪層參數(shù)多樣，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，該方法往往針對(duì)質(zhì)量占比大的部分，如梁帽、后緣增強(qiáng)以及尾緣增強(qiáng)。通過(guò)建立上述各部分的參數(shù)化模型和相應(yīng)的葉片性能分析方法，并同優(yōu)化算法耦合起來(lái)，最終達(dá)到優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的目的，這也是目前提到的各種葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。由于一些與結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能分析方法，如依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)載荷工況的極限載荷計(jì)算，不易建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，所以此方法得到的鋪層還需進(jìn)一步檢驗(yàn)。但優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)依賴度低，且計(jì)算快，適合初始葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。手動(dòng)迭代方法能夠全面細(xì)致地分析每項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，更適合葉片結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。目前，有關(guān)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越多[46，47]，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行大型葉片設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，但是如何建立更準(zhǔn)確、更高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)分析模型是其重點(diǎn)和難點(diǎn)，如葉片疲勞分析、葉根預(yù)埋螺栓套與復(fù)合材料的接觸應(yīng)力分析和三維氣彈響應(yīng)分析等。此外，反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法是一種比較高效的設(shè)計(jì)方法，但由于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的參數(shù)眾多，至今還沒人提出相關(guān)的設(shè)計(jì)模型。隨著研究的深入，也許它能成為未來(lái)大型葉片設(shè)計(jì)的新途徑。
新葉片結(jié)構(gòu)
為了更好地解決風(fēng)電大型化帶來(lái)的相關(guān)問(wèn)題，一些新的葉片結(jié)構(gòu)也不斷提出，并進(jìn)行了相應(yīng)分析，甚至部分已經(jīng)得到商業(yè)應(yīng)用。如Bladedynamics葉片設(shè)計(jì)公司提出了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)以降低葉片質(zhì)量，它將葉片的殼分成多塊設(shè)計(jì)和制造，然后再組裝成型。已完成49m的葉片設(shè)計(jì)。Xie等人[48]提出的可折疊(Folding)葉片，葉片分成兩段，葉尖段可折疊以降低載荷。為了解決大型葉片的運(yùn)輸問(wèn)題，Enercon提出了一種分段葉片，葉根段為鋼結(jié)構(gòu)并在尾緣安裝有尾緣蓋板以保證葉根段氣動(dòng)外形，葉尖段為復(fù)合材料葉片，兩段通過(guò)螺栓連接，目前該葉片已經(jīng)生產(chǎn)并批量裝機(jī)。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所和保定華翼風(fēng)電葉片研究開發(fā)有限公司共同研發(fā)的分段式風(fēng)電葉片也已完成靜力試驗(yàn)，它通過(guò)螺栓將兩段復(fù)合材料葉片連接起來(lái)。
此外，隨著對(duì)葉片運(yùn)行可靠性要求的提高，在線監(jiān)測(cè)葉片的運(yùn)行狀態(tài)和葉片載荷成為必要，這時(shí)需要在葉片內(nèi)部植入光纖等其他應(yīng)變測(cè)量元件，這些都會(huì)對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出新的要求。
隨著葉片的大型化，針對(duì)不同問(wèn)題的新型葉片結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，模塊化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)因其在減重、運(yùn)輸及提高運(yùn)行可靠性方面的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大應(yīng)用潛力。
大型風(fēng)電葉片制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
葉片的制造技術(shù)主要依據(jù)葉片的材料體系和三維幾何結(jié)構(gòu)發(fā)展。目前為止，針對(duì)復(fù)合材料葉片的成型工藝主要有手糊工藝、模壓成型、預(yù)浸料鋪放工藝、拉擠工藝、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(RTM)、真空灌注成型工藝。這些工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)葉片的材料體系、幾何結(jié)構(gòu)、幾何尺寸以及鋪層功能進(jìn)行綜合運(yùn)用，以達(dá)到最佳效果。
手糊工藝是生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)電葉片的一種傳統(tǒng)工藝。因?yàn)樗槐厥芗訜峒皦毫τ绊?，成本較低。可用于低成本制造大型、形狀復(fù)雜制品。其主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大、廢品率較高。手糊工藝往往還會(huì)伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染。目前主要用于葉片合模后的前尾緣濕法處理；模壓成型工藝的優(yōu)點(diǎn)在于纖維含量高、孔隙率低、生產(chǎn)周期短、精確的尺寸公差及良好的表面形狀。適用于生產(chǎn)簡(jiǎn)單的復(fù)合材料制品。其缺點(diǎn)是模具投入成本高，不適合具有復(fù)雜幾何形狀的葉片。目前大型葉片基本不采用此工藝；預(yù)浸料鋪放工藝的主要優(yōu)勢(shì)是在生產(chǎn)過(guò)程中纖維增強(qiáng)材料排列完好，可以制造低纖維缺陷以及性能優(yōu)異的部件。它是生產(chǎn)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的理想工藝，碳纖維預(yù)浸料廣泛應(yīng)用于航空業(yè)中。其主要缺陷是成本高。此外，預(yù)浸料需要手工方式鋪放，生產(chǎn)效率低；拉擠工藝具有纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，易于自動(dòng)化，適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。適用于生產(chǎn)具有相同斷面形狀，連續(xù)成型制品的生產(chǎn)中。但由于大型葉片的三維幾何彎扭結(jié)構(gòu)，該工藝很少使用。纖維纏繞工藝能夠控制纖維張力、生產(chǎn)速度及纏繞角度等變量，制造不同尺寸及厚度的部件。但應(yīng)用于葉片生產(chǎn)中的一個(gè)缺陷是在葉片縱向不能進(jìn)行纏繞，長(zhǎng)度方向纖維的缺乏使葉片在高拉伸和彎曲載荷下容易產(chǎn)生問(wèn)題。另外，纖維纏繞產(chǎn)生的粗糙外表面可能會(huì)影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，必須進(jìn)行表面處理。最后，芯模及計(jì)算機(jī)控制成本很大；樹脂傳遞模塑(RTM)屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝，對(duì)工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。RTM缺點(diǎn)是模具設(shè)備非常昂貴，很難預(yù)測(cè)模具內(nèi)樹脂流動(dòng)狀況，容易產(chǎn)生缺陷。RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片(纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型)，而無(wú)需二次黏接。真空灌注成型工藝是目前大型風(fēng)機(jī)葉片制造的理想工藝，與RTM相比，節(jié)約時(shí)間，揮發(fā)物非常少，工藝操作簡(jiǎn)單，模具成本大大降低。相對(duì)于手糊工藝，成型產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度提高20%以上。
鑒于真空灌注成型工藝在大型葉片應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，目前大型風(fēng)電葉片制造主要以真空灌注工藝為主。近幾年的研究也主要以此工藝為基礎(chǔ)，針對(duì)葉片鋪層厚度、新的高模材料、制造效率、葉片成型質(zhì)量等方面進(jìn)行的工藝嘗試與改進(jìn)。目前，具有創(chuàng)新性同時(shí)實(shí)用性較強(qiáng)的代表性葉片制造工藝有：西門子風(fēng)電集團(tuán)提出的IntegralBlade技術(shù)[54]。它使用兩個(gè)模具型面和其中的芯模型成一個(gè)封閉的型腔，在型腔里面隨形鋪放纖維材料和芯材。通過(guò)型腔內(nèi)建立起的真空體系將基體材料注入模具內(nèi)，一次成型大型風(fēng)機(jī)葉片。與傳統(tǒng)的真空灌注成型工藝相比，它具有的優(yōu)點(diǎn)包括：節(jié)省人力和空間、無(wú)需黏接、質(zhì)量可靠性高、不會(huì)釋放VOCs，對(duì)環(huán)境污染小。該工藝已廣泛應(yīng)用于西門子的不同型號(hào)葉片制造中；達(dá)諾巴特公司(DANOBAT)開發(fā)的葉片自動(dòng)制造系統(tǒng)[55]。它的主要功能包括自動(dòng)噴膠衣、自動(dòng)噴短切纖維、自動(dòng)鋪層、自動(dòng)打磨、自動(dòng)涂膠等?？蛻艨梢愿鶕?jù)自身需求來(lái)選擇整體自動(dòng)化，也可以選擇其中一個(gè)或幾個(gè)功能。工作單元采用移動(dòng)式懸臂梁結(jié)構(gòu)，橫梁上安裝有十字滑軌，相應(yīng)的工作功能頭位于滑軌上，采用5軸控制，最終實(shí)現(xiàn)各工序的自動(dòng)化操作。相對(duì)于真空灌注成型工藝，具有生產(chǎn)效率高，人工成本低，葉片質(zhì)量穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
除了以上針對(duì)現(xiàn)有熱固性復(fù)合材料體系的制造工藝，針對(duì)熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的生產(chǎn)工藝也在不斷發(fā)展。如基于低黏度載液技術(shù)的濕法模塑工藝以及共混雜成型工藝(Co-Mingling)：即熱塑性樹脂纖維與增強(qiáng)纖維共混雜而構(gòu)成共混線紗(Co-MinglingYarn)，共混線紗加熱過(guò)程中樹脂纖維熔化并浸漬增強(qiáng)纖維，直到徹底浸漬所有增強(qiáng)纖維。這些技術(shù)能一定程度上解決熱塑性復(fù)合材料成型能耗高、纖維浸潤(rùn)差的問(wèn)題。但要批量應(yīng)用到大型葉片的實(shí)際制造過(guò)程中還有待進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)。
綜上所述，大型葉片成型工藝將向著高成型質(zhì)量，高生產(chǎn)效率，低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的方向發(fā)展。一體化和自動(dòng)化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為大型葉片的制造趨勢(shì)。同時(shí)，用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿?。其中，低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵。
4總結(jié)
21世紀(jì)以來(lái)，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。隨著人們環(huán)保意識(shí)提高及風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。葉片做為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，它的技術(shù)發(fā)展對(duì)推進(jìn)整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。為了滿足大型葉片發(fā)展要求，新的翼型、材料、設(shè)計(jì)方法以及制造工藝不斷提出，引領(lǐng)風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)向開發(fā)更高性能的葉片邁進(jìn)?？偟膩?lái)看，大型葉片在氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝方面存在如下發(fā)展趨勢(shì)：
(1)在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，高雷諾數(shù)下高性能翼型開發(fā)是氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要迫切解決的問(wèn)題。此外，發(fā)展高精度且高效的氣動(dòng)分析方法特別是用于求解大型葉片非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性的方法，以及多學(xué)科協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方法將是風(fēng)電葉片的重要研究方向。
(2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，開發(fā)性能優(yōu)越且環(huán)保的葉片材料將是目前材料研究的重點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)以及反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法將是主要研究方向。此外，針對(duì)不同問(wèn)題的新型葉片結(jié)構(gòu)形式不斷出現(xiàn)，模塊化設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)因其在減重、運(yùn)輸及提高運(yùn)行可靠性方面的優(yōu)點(diǎn)，具有巨大應(yīng)用潛力。
(3)在制造工藝方面，具有高成型質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)成本和低環(huán)境污染的成型工藝是未來(lái)的發(fā)展方向。一體化和自動(dòng)化制造工藝以其在成型質(zhì)量和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為大型葉片的制造趨勢(shì)。同時(shí)，用于熱塑性復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)具有巨大發(fā)展?jié)摿?。其中，低黏度熱塑性樹脂的開發(fā)非常關(guān)鍵。
