大型風力發電機復合材料葉片技術及進展

    2.3　風力機復合材料葉片構造設計
    設計GRP葉片的構造時主要考慮葉片根端連接與葉片剖面形式。葉片與輪箍連接使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的荷載通過葉片根端連接傳到輪轂上，因此葉根的荷載最大。根端必須具有足夠的剪切強度、擠壓強度，與金屬的膠結強度也要足夠高。上述強度均低于其拉彎強度，因而葉片的根端設計應予以重視。大型風力機的GRP葉片根端形式主要有金屬法蘭(法蘭與葉根螺栓連接或膠結)、預埋金屬桿及T型螺栓。金屬法蘭與葉根柱殼膠結，而不是傳統的螺栓連接，這可減輕根部的重量。大型風力機的GRP葉片剖面采用蒙皮與主梁構造形式。蒙皮的功能主要提供葉片的氣動外形同時承擔部分彎曲荷載和大部的剪切荷載。蒙皮由雙向玻纖織物增強，以提高蒙皮的剪切強度。蒙皮的后緣部分采用夾層結構，以提高后緣空腹結構的抗屈曲失穩能力。主梁為主要承力結構，承載葉片的大部彎曲荷載，它采用單向程度較高的玻纖織物增強，以提高主梁的強度及剛度。
    2.4　結構設計
    葉片結構設計主要考慮制訂荷載規范、荷載計算、極限強度及疲勞強度驗算、變形計算、固有頻率計算和屈曲穩定計算。作用在葉片上的荷載主要有慣性力和重力、氣動力、運行荷載。荷載工況要考慮正常設計工況和正常外部條件、正常設計工況和極端外部條件、故障設計工況和允許的外部條件、運輸安裝和維修設計工況等組合工況。對每種荷載工況要區分極限荷載與疲勞荷載。對于極限荷載，至少要計算50a一遇的極端風速，要求葉片在極限荷載  下滿足強度、變形、穩定條件。葉片的疲勞荷載較復雜，規范提供了簡化疲勞荷載譜。根據葉片材料的S N曲線，應用Palmgren miner線性累積損傷準則進行葉片的疲勞強度計算。
    風力機葉片的固有頻率是重要的動態性能參數。作用在葉片上的氣動荷載是動荷載，其頻率為風輪轉速的整數倍。對于3葉片風力機組，頻率為轉速3倍的動荷載分量最大。為避免葉片共振或產生較大的動應力，規范要求葉片的一階頻率高于3倍轉速頻率的20%。通過復合材料鋪層設計及氣動外形的優化使葉片的頻率滿足動態性能要求。葉片的頻率計算較復雜。葉片是變截面的，各截面的扭角是不同的。振動時各個截面可分解為兩個方向的位移，產生了兩個方向互相耦合的彎曲振動，計算時應考慮耦合影響。葉片的彎曲耦合振動方程：
    (EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0
    (EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0
    上述方程可采用數值方法求解。大型風力機葉片采用空腔結構形式，在氣動荷載作用下葉片局部受壓區域可能發生突然損壞，稱為曲屈失穩現象。葉片后緣空腔較寬，易發生失穩。為此本設計采用夾層結構。芯層和面層的厚度可采用復合材料夾層結構穩定理論進行計算。復合材料葉片的設計計算可采用經典的層合梁理論，葉片簡化為懸臂梁。初步設計計算可滿足工程要求，但優化設計應采用有限元方法。有限元強大的建模和結構分析功能適于葉片的應力、變形、頻率、屈曲、疲勞及葉根強度的分析。葉片的構造較復雜，由外殼、主梁、夾層等構件組成，模型建立較困難。目前有葉片專用前處理軟件，簡化了葉片的結構分析。