復(fù)合材料風機葉片設(shè)計的現(xiàn)狀與未來44044

1、復(fù)合材料風機葉片設(shè)計的現(xiàn)狀與未來復(fù)合材料風機葉片設(shè)計的現(xiàn)狀與未來早在1920年，德國的物理學家AlbertBetz就對風力發(fā)電葉片進行過詳細的計算。基于當時的計算條件和對風力發(fā)電葉片的認識，Betz在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風力發(fā)電葉片的認識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風力發(fā)電葉片進行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值

2、與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當時的葉片計算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動力學計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進一步改善葉片的空氣動力學特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5％的情況下，捕風能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速

3、度要求的運行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的Enercon公司將風力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風能力大約提高25％。Enercon公司還對33米葉片進行了空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56％，比按照Betz計算的最大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進：

4、包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW風力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風能力得異提高。Enercon公司在4.5MW風力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3

5、個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運行使產(chǎn)生的噪音。丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機的設(shè)計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20％。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的進步，近年來，大型復(fù)合材料的葉片也向著智能化發(fā)展。在最新一代的Enercon葉片中開始采用葉片自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，監(jiān)

6、測系統(tǒng)能夠?qū)⑷~片運行狀態(tài)下的數(shù)百個電子信息自動的傳遞給葉片的控制系統(tǒng)，計算機管理系統(tǒng)每個月都會報告葉片的運行情況、早期損傷情況，以利于使用者能夠?qū)p傷葉片進行及時的修補。LM公司將光纖控制技術(shù)用于制造智能復(fù)合材料葉片。在大型葉片制造中，尤其是近海風場用的大型風力發(fā)電機，由于風場的氣候條件惡劣，監(jiān)測和維護困難，對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)合材料葉片的實時監(jiān)控，LM公司將光纖監(jiān)控技術(shù)用于復(fù)合

7、材料葉片的制造，開發(fā)出具有智能功能的復(fù)合材料葉片。在制造大型復(fù)合材料葉片時，LM公司將光纖傳感器埋設(shè)和固定于復(fù)合材料內(nèi)部。當這種智能復(fù)合材料葉片工作時，光纖傳感器就會將葉片工作時的狀態(tài)實時反映給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，將其反饋給風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)。一旦葉片所承受外界載荷（溫度、風速、風載等）超過設(shè)計載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對葉片造成損傷時，葉片的監(jiān)控系統(tǒng)就會發(fā)出早期預(yù)警信號，此時才需要對葉片進行必要的保養(yǎng)