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风电叶片的优化设计要满足一定的设计目的，其中有些以至是相互矛盾的，如： 年输出功率最大化; 最大功率限制输出; 振动最小化和避免呈现共振; 资料耗费最小化; 保障叶片结构部分和整体稳定性; 叶片结构满足恰当的强度请求和刚度请求。 风电叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段，其中气动设计请求满足前两条目的，结构设计请求满足后四条目的。通常这两个阶段不是独立中止的，而是一个迭代的过程，叶片厚度必须足够以保障能够容纳腹板，进步叶片刚度。 (1)外形设计 叶片气动设计主要是外形优化设计，这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决议风机的发电效率，在风机运转条件下，活动的雷诺数比较低，叶片通常在低速、高升力系数状态下运转，叶片之间活动干扰构成活动十分复杂。针对叶片外形的复杂活动状态以及叶片由叶型在不同方位的散布构成，叶片叶型的设计变得十分重要。目前叶片叶型的设计技术通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计措施设计叶片叶型的外形。先进的CFD技术已普遍应用于不同类型气动外形的设计，关于低雷诺数、高升力系数状态下风机运转条件，采用思索粘性的N-S控制方程剖析叶片叶型的流场是十分必要的。 在过去的10多年中，水平轴风电叶片翼型通常选择NACA系列的航空翼型，好比NACA44XX，NA-CA23XX，NACA63XX及NASA LS(1)等。这些翼型对前缘粗糙度十分敏感，一旦前缘由于污染变得粗糙，会招致翼型性能大幅度降落，年输出功率损失最高达30%。在认识到航空翼型不太合适于风电叶片后，80年代中期后，风电兴隆国度开端对叶片专用翼型中止研讨，并胜利开发出风电叶片专用翼型系列，好比美国Seri和NREL系列、丹麦RISO-A系列、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。 这些翼型各有优势，Seri系列对翼型名义粗糙度敏理性低;RISO-A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏理性低;FFA-W系列具有良好的后失速性能。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA-W翼型，风机专用翼型将会在风电叶片设计中普遍应用。表1为对NREL翼型系列性能进步的预算。
目前叶片外形的设计理论有好几种，都是在机翼气动理论基础上展开起来的。第一种外形设计理论是依照贝茨理论得到的简化设计措施，该措施是假定风力机是依照贝茨公式的最佳条件运转的，完整没有思索涡流损失等，设计出来的风轮效率不超越40%。后来一些着名的气动学家相继树立了各自的叶片气动理论。Schmitz理论思索了叶片周向涡流损失，设计结果相对精确一些。Glauert理论思索了风轮后涡流活动，但疏忽了叶片翼型阻力和叶稍损失的影响，对叶片外形影响较小，对风轮效率影响却较大。Wilson在Glauert理论基础上作了改进，研讨了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并且研讨了风轮在非设计工况下的性能，是目前最常用的设计理论。 (2)结构设计 目前大型风电叶片的结构都为蒙皮主梁方式，如图1所示为典型的叶片结构方式。蒙皮主要由双轴复合资料层增强，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构，进步其抗失稳才干，这与夹芯结构大量在汽车上应用相似。主梁主要为单向复合资料层增强，是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。
典型叶片剖面结构方式 结构铺层校核对叶片结构设计来说也必不可少。前在校核方面，大多用通用商业有限元软件，好比ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。对叶片中止校核时，思索单层的极限强度、自振频率和叶尖挠度，剖析模型有壳模型和梁模型等，并且能够做到这两种模型的相互转换，如图2,3所示。与其他叶片结构相比，目前大型叶片的中空夹芯结构具有很高的抗屈曲失稳才干，较高的自振频率，这样设计出来的叶片相对较轻。有限元法可用于设计，但更多用于模仿剖析而不是设计，设计与模仿必须交叉中止，在每一步设计完成后，必须更新剖析模型，重新得到铺层中的应力和应变数据，再返回设计，更改铺层计划，再剖析应力和变形等，直到满足设计规范为止，如图4所示。由于复合资料正交各向异性的特殊性，叶片各铺层内的应力并不连续，而应变则相对连续，所以叶片结构校核的失效准绳有时分完整采用应变失效准绳。 (3)资料选择 风电叶片展开初期，由于叶片较小，有木叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片等等，随着叶片向大型化方向展开，复合资料逐步取代其他资料简直成为大型叶片的独一可选资料。复合资料具有其它单一资料无法比较的优势之一就是其可设计性，经过调整单层的方向，能够取得该方向上所需求的强度和刚度。更重要的是可应用资料的各向异性，使结构不同变形方式之间发作耦合。好比由于弯扭耦合，使得结构在只遭到弯矩作用时发作改动。在过去，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计工程想方设法消弭耦合现象。但在航空范畴人们开端应用复合资料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，进步机翼的性能。在叶片上，引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。经过气弹剪裁，降低叶片的疲倦载荷，并优化功率输出。 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)是现代风机叶片最普遍采用的复合资料，玻璃钢以其低廉的价钱，优秀的性能占领着大型风机叶片资料的统治位置。但随着叶片逐步变大，风轮直径已突破120m，最长的叶片已做到61.5m，叶片自重达18t。这对资料的强度和刚度提出了愈加苛刻的请求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的请求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片部分区域，如NEG Micon NM 82.40m长叶片，LM61.5m长叶片都在高应力区运用了碳纤维。由于叶片增大，刚度逐步变得重要，已成为新一代MW级叶片设计的关键。 碳纤维的运用使风电叶片刚度得到很大进步，自重却没有增加。Vestas为V903.OMW机型配套的44m系列叶片主梁上运用了碳纤维，叶片自重只需6t，与V802MW,39m叶片自重一样。美国和欧洲的研讨讲演指出，含有碳纤维的承载玻璃纤维层压板关于MW级叶片是一个十分有效的选择替代品。在E.C.公司资助的研讨计划[10]中指出，直径为120m风轮叶片部分运用碳纤维可有效减少总体自重达38%，设计成本减少14%。但碳纤维价钱昂贵，极大地限制其在风机叶片上的运用。 现今碳纤维产业仍以展开轻质、良好结构和热性质佳等附加值大的航空应用资料为主。但许多研讨员却大胆预言碳纤维的应用将会逐步增加。风能的成本效益将取决于碳纤维的运用方式，未来若要大量取代玻璃纤维，必须低价才具有竞争力。 |
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