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风电叶片设计和制作中的技术问题

2016-08-15 17:26
路过的码农
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  目前叶片外形的设计理论有好几种,都是在机翼气动理论基础上发展起来的。第一种外形设计理论是按照贝茨理论得到的简化设计方法,该方法是假设风力机是按照贝茨公式的最佳条件运行的,完全没有考虑涡流损失等,设计出来的风轮效率不超过40%。后来一些著名的气动学家相继建立了各自的叶片气动理论。Schmitz理论考虑了叶片周向涡流损失,设计结果相对准确一些。Glauert理论考虑了风轮后涡流流动,但忽略了叶片翼型阻力和叶稍损失的影响,对叶片外形影响较小,对风轮效率影响却较大。Wilson在Glauert理论基础上作了改进,研究了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响,并且研究了风轮在非设计工况下的性能,是目前最常用的设计理论。

  (2)结构设计

  目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁形式,如图1所示为典型的叶片构造形式。蒙皮主要由双轴复合材料层增强,提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽,采用夹芯结构,提高其抗失稳能力,这与夹芯结构大量在汽车上应用类似。主梁主要为单向复合材料层增强,是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构,对主梁起到支撑作用。

  典型叶片剖面构造形式

  结构铺层校核对叶片结构设计来说也必不可少。前在校核方面,大多用通用商业有限元软件,比如ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。对叶片进行校核时,考虑单层的极限强度、自振频率和叶尖挠度,分析模型有壳模型和梁模型等,并且能够做到这两种模型的相互转换,如图2,3所示。与其他叶片结构相比,目前大型叶片的中空夹芯结构具有很高的抗屈曲失稳能力,较高的自振频率,这样设计出来的叶片相对较轻。有限元法可用于设计,但更多用于模拟分析而不是设计,设计与模拟必须交叉进行,在每一步设计完成后,必须更新分析模型,重新得到铺层中的应力和应变数据,再返回设计,更改铺层方案,再分析应力和变形等,直到满足设计标准为止,如图4所示。因为复合材料正交各向异性的特殊性,叶片各铺层内的应力并不连续,而应变则相对连续,所以叶片结构校核的失效准则有时候完全采用应变失效准则。?

  (3)材料选择

  风电叶片发展初期,由于叶片较小,有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等,随着叶片向大型化方向发展,复合材料逐渐取代其他材料几乎成为大型叶片的唯一可选材料。复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势之一就是其可设计性,通过调整单层的方向,可以获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性,使结构不同变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合,使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在过去,叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题,设计工程想方设法消除耦合现象。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合,拉剪耦合效应,提高机翼的性能。在叶片上,引人弯扭耦合设计概念,控制叶片的气弹变形,这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁,降低叶片的疲劳载荷,并优化功率输出。

  玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)是现代风机叶片最普遍采用的复合材料,玻璃钢以其低廉的价格,优良的性能占据着大型风机叶片材料的统治地位。但随着叶片逐渐变大,风轮直径已突破120m,最长的叶片已做到61.5m,叶片自重达18t。这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化,轻量化的要求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片局部区域,如NEG Micon NM 82.40m长叶片,LM61.5m长叶片都在高应力区使用了碳纤维。由于叶片增大,刚度逐渐变得重要,已成为新一代MW级叶片设计的关键。

  碳纤维的使用使风电叶片刚度得到很大提高,自重却没有增加。Vestas为V903.OMW机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维,叶片自重只有6t,与V802MW,39m叶片自重一样。美国和欧洲的研究报告指出,含有碳纤维的承载玻璃纤维层压板对于MW级叶片是一个非常有效的选择替代品。在E.C.公司资助的研究计划[10]中指出,直径为120m风轮叶片部分使用碳纤维可有效减少总体自重达38%,设计成本减少14%。但碳纤维价格昂贵,极大地限制其在风机叶片上的使用。

  现今碳纤维产业仍以发展轻质、良好结构和热性质佳等附加值大的航空应用材料为主。但许多研究员却大胆预言碳纤维的应用将会逐步增加。风能的成本效益将取决于碳纤维的使用方式,未来若要大量取代玻璃纤维,必需低价才具有竞争力。

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