浅谈大型风电叶片结构设计方法

杨通权

摘 要：风电产业在发展绿色能源战略下获得突飞猛进发展，并且为了取得更好风力发电效益，对风电机组性能及质量也提出崭新要求，而风电叶片作为风电机组关键组成部分，确保其设计科学合理，可以使风电机组的整体性能得到显著提高，并保证其获得安全高效运行。本文结合大型风电叶片结构设计概述，从叶片外形、承载结构、气动平衡等方面着手，对风电叶片结构设计方法及要点进行详尽探讨，以供参考。

关键词：大型风电;叶片结构;设计方法;探讨

在社会经济、科学技术不断发展背景下，人们生活水平日益提升，开展生产生活活动所需电力也日益增长，而我国风能资源储存十分丰富，开发利用也比较低，这就为风电事业快速发展提供了广阔空间，为有效满足风电市场快速增长的需求，就要进一步提高风电设备设计制造能力，尤其是在风电叶片结构设计方面，作为风电机组研发的关键，对其进行科学设计不仅可以保证机组安全、高效运行，还能够对风电机组核心技术快速掌握，并推动风电事业获得进一步发展[1]。基于此，大型风电叶片结构设计方法展开分析和探讨。

1 大型风电叶片结构设计概述

对大型风电叶片结构进行设计，就是风电叶片材料选择、结构形式确定和参数优化设计的过程，通过对这些叶片结构设计要素进行全面、综合分析，使风电叶片结构具备较好的刚度、强度及稳定性，具体实践中也要结合极限强度、动力学特征、叶尖变形要求等，对风电叶片结构进行优化设计，确保其在实践应用中能够取得良好性能，以风电叶片材料选择为例，操作中要尽可能的选择铝合金、碳纤维增强复合材料等加以应用，涉及的内部夹心结构则要使用轻木、PVC等材料，以达到结构强度、刚度要求。

2 大型风电叶片结构设计方法

2.1 结构外形

结构外形设计作为大型风电叶片结构设计的基础内容，其设计质量好坏也会对机组整体性能提升产生极大影响，因此需要对其引起高度重视，实践中也可以采取威尔森、Glauert、动量叶素理论等方法，对风电叶片结构外形进行有效分析，若对Glauert方法加以应用，就会对风轮后涡流流动进行考虑，并在完成叶片结构外形初步设计以后，对气动性能进行修正和优化;若对动量叶素理论方法进行运用，就需要对风轮轴线截面与叶片气动力之间关系进行详细分析，以达到明确风电叶片参数与旋翼之间相关性目的;而使用威尔森方法对风电叶片外形进行改进和优化，在风电叶片气动外形设计中应用较为广泛[2]。

2.2 承载结构

1）叶片构造。在对叶片构造进行设计时，需要结合叶片实际受到荷载情况，对结构形式加以确定，针对空腹薄壁的叶片结构，在荷载作用下容易出现变形过大、局部失稳等情况，这时候就需要在空腹内采取填充夹心材料、设置加强肋等措施，使结构整体强度和刚度得到提高。实际制造过程中，多会采用叶片上下壳体、抗剪腹板独立成型等方法，使上下壳体与抗剪腹板之间进行有效粘结，使之构成较为完整的独立叶片，而叶片蒙皮及主梁帽加工需要纤维铺设与灌注同时进行，可以使叶片整体强度得到提高，并且为了降低设计难度，操作中可以对蒙皮和主梁帽进行分别设计，既能够简化设计，又能够保证叶片性能[3]。另外，根据叶片展向结构可以将其分为叶根区、过渡翼型区和完全翼型区，对这些区域进行构造设计，需要建立受载情况、外形限制、结构要求准确把握基础上，使结构设计能够达到叶片整体结构性能要求。

2）叶片强度及刚度。对大型风电叶片结构加以设计，涉及的风电叶片都会采用复合材料，实践中主要包含蒙皮铺层和主梁帽铺层2项内容，其中叶片蒙皮主要发挥扭转力矩作用，并可以提供气动外形，若不考虑腹板影响，就可以将叶片视为闭口薄壁梁，并结合蒙皮任意一点单元体应力情况，对蒙皮强度进行计算，并以此确定叶片蒙皮厚度。对主梁帽铺层进行设计，主梁帽作为叶片承受弯曲荷载的关键部件，需要根据铺层参数，对截面实际刚度进行计算，并联合材料参数、蒙皮厚度、主梁位置、铺层参数等，逐层求和得到相对应的实际截面刚度，并对主梁铺层数加以明确。而对叶片刚度加以设计，需要建立在叶片截面位移基础之上，实际设计中也要对设计条件加以设定，并对截面位移实际情况进行求解，得到截面实际抗弯刚度以后，就能够开展截面形状设计，这一过程中也要对风电叶片抗弯结构尺寸进行科学确定[4]。

2.3 气动与结构平衡

1）影响因素。叶片气动与结构影响因素包含：（1）翼型厚度，风电叶片作为具有一定厚度的壳体，并且呈现出从叶根至叶尖逐渐减少的特征，针对大型风电叶片受力比较大，因此需要队叶片翼型厚度对气动性能造成影响加以关注，设计中对大厚度翼型加以选择，就需要为叶片承载结构留出足够的空间，而叶片主梁需要布置到叶片内部当中，实践中可以采用箱型、工字型方式进行操作;（2）叶片实度，在叶片数目及长度明确基础上，叶片弦长就会对实度大小产生直接影响，为此可以采取改变叶片弦长的方式，得到不同叶片实度，并对气动性能加以计算，以对实度对叶片最大效率产生的影响进行分析，结果发现实度与气动效率存在反比关系[5]。

2）变桨中心确定。由于叶片会受到启动扭矩、离心力扭矩、变桨惯性力矩等作用，并且随着变桨中心逐渐向气动中心加以靠近，其气动力扭矩也会不断减少，而气动中心与变桨中心位置处于固定状态时，气动扭矩大小与叶片长度气动力存在紧密聯系，为了使叶片承受的扭矩减小，就要对变桨中心位置加以优化，使叶片截面翼型气动中心与截面重心尽可能的挨近，该种设计也能使叶片抗弯能力得到进一步提升[5]。

3 结语

本文是基于对大型风电叶片结构设计方法的探讨，风能作为一种清洁能源，为我国风电事业提供了巨大发展空间，但是受到风电事业起步较晚、核心技术掌握不足等因素影响，导致风力发电效果不够理想，需要加强风电叶片结构设计研究，实践中可以从结构外形、承载结构、气动结构平衡等方面入手，保证风电叶片结构设计科学合理，提高风电机组整体性能及质量，使之更好满足风电市场实际需求，并带动风电事业快速持续发展。

参考文献

[1]郑玉巧.大型风电机组柔性叶片的结构优化设计方法研究[D].甘肃：兰州理工大学，2016.

[2]张满闯.一种新型风电叶片吊装夹具的结构设计与强度分析[J].工程机械，2020，51（1）：3-6.

[3]刘奇星，郑永，高康，等.大型风电叶片结构设计方法研究[J].中国机械，2015，（8）：21-22.

[4]徐宇，廖猜猜，张淑丽，等.大型风电叶片设计制造技术发展趋势[J].中国科学（物理学力学天文学），2016，46（12）：1-10.

[5]何光男，袁光明，王景华，等.风电叶片后缘疲劳加载设备摇臂支架结构优化设计[J].可再生能源，2020，38（3）：340-346.