风力机叶片仿生设计研究进展

赵树萍

(西安交通工程学院，西安 710300)

0 引 言

叶片是风力机能量转换的主要部件，同时也是主要的承载部件，其结构、质量和性能的优劣决定着机组是否能长期稳定运行。当前风力机在朝着大型化和海上化的趋势发展，叶片在长期不停运转的同时需要承受各种复杂的载荷，加上叶片的设计寿命不得低于20年，其必须具有足够的强度、刚度和疲劳寿命，避免振动失稳并不得产生过大的噪声。且叶片成本占到整个风力发电总成本的1/4到1/3左右，因此叶片的优化设计对促进风力机进一步发展尤为重要。

1 风力发电机叶片技术的发展

风力机叶片在大型化，柔性化的同时，叶片技术随着材料学、空气动力学等相关学科的发展也在不断进步。叶片材料由最初的木材和帆布到后来的金属，一直发展到具有高强度和低模量的玻璃纤维和碳纤维复合材料。风力机叶片翼型由最初的选用航空翼型到设计专用翼型以改善叶片气动外形来提高风力机风能的捕获效率。为了提高叶片的捕风效率，翼型还在不断地被优化，如刘雄等通过优化设计得到一种具有高升阻比、低噪声水平的风力机翼型[1]。

风力机叶片的结构也由实心发展为蒙皮—主梁式的空心结构，为降低单位发电成本，对风力机叶片结构优化主要有两种途径：一是降低叶片质量；二是提高叶片气动效率，即叶片以最小的质量获得最大的风能捕获效率，要提高气动效率叶片必须在多种风载情况下均具有良好的气动性能。……