大型風輪葉片設計技術的現狀與發展趨勢

   在過去的10多年中，水平軸風機葉片翼型通常選擇NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。這些翼型對前緣粗糙度非常敏感，一旦前緣由于污染變得粗糙，會導致翼型性能大幅度下降，年輸出功率損失最高達30%^[3]。在認識到航空翼型不太適合于風機葉片后,80年代中期后，風電發達國家開始對葉片專用翼型進行研究，并成功開發出風電葉片專用翼型系列，比如美國Seri和NREL系列、丹麥RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷蘭DU系列。這些翼型各有優勢，Seri系列對翼型表面粗糙度敏感性低；RISO-A系列在接近失速時具有良好的失速性能且對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公司已在大型風機葉片上采用瑞典FFA-W翼型，風機專用翼型將會在風機葉片設計中廣泛應用。表1為對NREL翼型系列性能提高^[3]的估算。

 
    目前葉片外形的設計理論有好幾種，都是在機翼氣動理論基礎上發展起來的。第一種外形設計理論是按照貝茨理論得到的簡化設計方法，該方法是假設風力機是按照貝茨公式的最佳條件運行的，完全沒有考慮渦流損失等,設計出來的風輪效率不超過40％。后來一些著名的氣動學家相繼建立了各自的葉片氣動理論。Schmitz理論考慮了葉片周向渦流損失,設計結果相對準確一些。Glauert理論考慮了風輪后渦流流動，但忽略了葉片翼型阻力和葉稍損失的影響,對葉片外形影響較小,對風輪效率影響卻較大。Wilson在Glauert理論基礎上作了改進，研究了葉稍損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，并且研究了風輪在非設計工況下的性能，是目前最常用的設計理論。
2.2結構設計
    目前大型葉片的結構都為蒙皮主梁形式，如圖1所示為典型的葉片構造形式^[4]。蒙皮主要由雙軸復合材料層增強，提供氣動外形并承擔大部分剪切載荷。后緣空腔較寬，采用夾芯結構，提高其抗失穩能力，這與夾芯結構大量在汽車上應用類似^[5]。主梁主要為單向復合材料層增強，是葉片的主要承載結構。腹板為夾芯結構，對主梁起到支撐作用。
    葉片結構設計應依據相關設計規范。目前葉片結構設計規范主要建立在IEC國際標準和德國GL標準基礎上，要求結構滿足靜力強度、疲勞強度和葉尖撓度要求。復合材料葉片各鋪層是交錯鋪放的，實際初步設計時，將所有雙軸布視為一層，所有單軸布視為一層，這樣做對結構強度和性能影響不大^[4]。葉片結構鋪層是分段設計，各段厚度都不一致，應對厚度進行連續化處理，最終設計的各鋪層厚度還應為各單層厚度的整數倍。