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风电叶片结构设计


风机叶片结构设计
如我们在气动部分所提到的,叶片的设计初衷就是获得动力学效率和结构设计的平衡。 材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。因此结构设计人员在如何将设计 原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色,设计人员必须找出在保证性能与降低 成本之间的最优方案。

叶片受力分析
叶片上承受的推力驱动叶片转动。推力的分布不是均匀的而

是与叶片长度成比例分布。 叶尖部承受的推力要大于叶根部。如此设计的原因在前文已经提到过。 外部的推力除了驱动叶片转动,也会使其产生一定的弯曲。从叶根到叶尖弯曲程度逐 渐加大。叶尖处距离支点最远因此变形量最大。叶根承受最大的力矩,在叶尖处力矩 为零。

力矩和叶片位置关系图

因此在叶片设计中,叶根部具有最大的厚度和最高的强度,向叶尖部过渡的过程中厚度 逐渐减小。这也符合空气动力学的设计要求:尖部弦长最短,牵引力最为重要因此需要 较薄的厚度。此外在强风条件下叶片需要停转进行功率调节,叶尖部较薄的结构更容易 停下。叶根部的弦长最大,产生的推力最小,叶壳铺层厚度的增加可以提高推力。 但是为了达到需要的强度和模量而设计的铺层厚度已经超过了气动设计所需要的最佳厚 度,因此在设计时需要综合考量。

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内部梁结构
如果叶片内部采取实心结构则厚度的设计就变得非常简单,只需要依据弯曲力矩进行设 计即可。但实心结构受力时,叶片向下弯曲时上表面的材料受到拉力,下表面的材料受 到压力,中间部分的材料受力较少而没有发挥出最大的作用。因此为了降低生产成本, 设计中可以去除一些不必要的材料,所以常见的叶片都采用了中空式设计。 还有一种极端的设计方案,就是将叶片分成上下两部分,中间完全不用任何连接。而实 际应用中无论从剪切强度和空气动力学设计上考量这种设计都是不可行的。首先从空气 动力学角度出发整个叶壳必须是连续的整体。此外从剪切强度出发如果没有任何连接, 两部分没有形成一体,使用中会发生相对滑动,也不能承担弯曲载荷,叶片中连接上下 梁帽的连接部件称为抗减腹板。这种设计与工字梁的原理相同。

Steel I-Beam

Blade with spar caps & shear web

Blade with box spar

叶片的整体结构原理上与工字梁相同,区别只是在于为了形成空气动力学外形在工字梁 外面包裹了一层叶壳。主要的弯曲载荷由梁帽承担,叶壳只承担少量弯曲载荷。剪切腹 板的连接方式主要有两种:上下两片梁帽加以中间腹板连接,或者是梁帽和腹板做成一 体称为盒式大梁,再通过结构胶与叶壳粘接。

铺层取向
现代的风机叶片主要采用玻璃钢材料生产,玻璃钢与木材和金属相比具有更高的比强 度,尤其适用于制造像风机叶片之类的大尺寸薄层构件。因为风机叶片中主要载荷集中 在一个方向,便于纤维布的铺设。例如梁帽中所有纤维都沿着叶片长度方向排列,因为 叶片长度方向是弯曲载荷的主要加载方向(上表面受拉伸载荷,下表面受压缩载荷)。 腹板中的纤维铺放应为对角取向,这样可以确保在腹板与梁帽交接处纤维取向与所有方 向都成45度角。

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上图所示是由三根棒材通过固定销连接而成的框架结构。在对这个结构施加载荷时,框 架会由长方形变成菱形,棒材尺寸没有发生变化,而对角线尺寸则发生了明显改变,一 条伸长另一条缩短。因此为了保证框架刚性需要增加两个对角方向的固定棒材。

通过增加更多的对角棒材可以延长框架的长度直至形成一个长梁结构,每一部分都需要 有对角棒材保证剪切刚性。两个棒材缺一不可,一个承担拉伸载荷,另一个承担压缩载 荷。整体载荷达到平衡,横向保证上下梁帽均匀分开,纵向保证梁帽不发生剪切滑动。 单向织物用于制造梁帽,±45°双向织物用于制造抗剪腹板,在梁帽制备中也会用到一 些双向织物,目的是为了在单向织物间传递载荷。对于使用盒式大梁的叶片,采用双向 织物与单向织物交叉铺放方式。对于使用抗剪腹板的叶片,采用附加双向织物增强的方 式。对于后者在制造中需要特别注意抗剪腹板和梁帽的充分重叠,以保证载荷可以通过 相对较弱的结构胶粘合面顺利传递。

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几何尺寸优化设计
设计人员可以在不改变叶片几何外形的条件下,通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能, 降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽,这样做却增加了生产成本。同时 腹板强度也需要提高,但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。综上所述,几 何尺寸的优化设计需要从风机设计,载荷分析,结构设计和制造成本等多方面综合考量 才能获得最佳的结果。

疲劳性能
众所周知在疲劳外力作用下,部件往往会在较低的载荷下发生破坏,而这个载荷远低于 断裂载荷。例如在金属结构中的金属疲劳现象,一个很好的例子是当一个金属材质的调 匙被反复的弯曲后最终会发生断裂。与金属材料相同其他材料包括玻璃钢复合材料也存 在疲劳现象。木材具有相对较好的疲劳性能,因此在小尺寸叶片中被大量采用,但由于 木材的比强度不如玻璃钢高,而限制了其在大尺寸叶片中的应用。 在实际使用中,叶片受到的推力会因为诸多因素的影响而不断变化,这些因素包括风 速,风切变,偏航误差和扰流等。当风向与风机朝向不同时,叶片的攻角,推力都会随 着风机的调整而发生变化。推力的作用方向是在翼面向上,推力推动叶片旋转。翼缘向 上会受到叶片自重产生的载荷,自重载荷在叶片旋转时对叶片施加反向的作用力。 降低许用设计载荷是防止疲劳失效的最简单的方法。疲劳性能测试就是通过反复多次的 加载卸载来得到载荷与发生失效时的循环次数曲线。

SPX 8080 / EGL 1600 / 32%. FVF=54%. 24 Micron OCF R25H R=0.1 Frequency=4Hz

Remaining static strength = 97%

典型风机叶片的疲劳载荷-循环次数曲线

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通常情况下叶片的设计寿命为20年,在这期间要经受相当于1千万次的循环载荷,许用 载荷为静态最大载荷的30%。许用应力主要取决于材料本身,碳纤维增强环氧预浸料可 以经受50%最大载荷下循环1千万次,而玻璃纤维增强乙烯基酯只能承受不到20%的最大 载荷。 降低许用设计载荷是防止疲劳失效的最简单的方法。或者是采用较大的安全因子,但 是这样则会导致较多的材料浪费。 更加复杂的分析着眼于载荷随时间的变化(载荷图谱),并采用统计方法计算不同载 荷下的循环次数。常用的方法是循环计数雨流法。通过应力-循环次数图中消耗的叶片 寿命可以计算出每种载荷产生的破坏程度。例如某种载荷在1000次循环后失效,而载 荷图谱预计破坏次数是200次,则20%的使用寿命被消耗掉。 如果假设每种载荷下的损伤可以累积,就可以根据载荷图谱得到全部的疲劳寿命消耗 情况。例如在某种载荷下20%的寿命被消耗,而在另一个更低的载荷下循环更多次后 35%的寿命被消耗掉。如果累计的消耗达到100%,叶片就会在设计寿命前发生失效破 坏。

叶壳
叶壳的作用主要是提供空气动力学外形,同时也起到增强大梁强度和刚性的作用,也 提高了叶片抵抗扭曲载荷的能力。与抗弯性能一样,部件尺寸越大,抗扭曲载荷能力 越强,而叶壳的横截面积要明显大于盒式大梁。扭曲变形时的主要载荷是剪切,因此 如前面提到的抗剪腹板一样,叶壳中也要用到一定比例的对角分布纤维布。 叶壳中也包含沿长度方向分布的纤维,在一定程度上起到辅助梁帽承担弯曲载荷的作 用。但更为重要的作用是增加翼缘向的抗弯强度。这是因为结构梁中当承力材料距离 越远整体性能越好(与在翼面向弯曲的梁帽相同)。叶壳的截面积远大于盒式大梁, 因此可以更好地增加翼缘向的弯曲刚度。 翼缘向的弯曲是由于叶片自重产生的,叶根部的弯曲力矩最大,因此整个叶片的重心 也在叶根附近。尽管叶壳可以承担大部分的翼缘向弯曲载荷,通常情况下在后缘靠近 叶根部还需要铺设附加的增强层以提高抗弯性能。

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如果叶壳全部采用玻璃钢复合材料制造,达到要求的强度所需厚度只有几毫米。但是因 为从梁帽到后缘的距离有1米多长,如果采用几毫米的厚度则刚度不足。这也会导致空 气动力学问题和发生脱粘现象。 增加玻璃钢层的厚度可以解决这个问题,但又会导致重量和成本增加。因此叶壳部分多 采用内部夹杂低密度芯材的夹芯结构。常用芯材多为硬质泡沫或轻木。夹芯结构的工作 原理和工字梁以及盒式大梁相同,芯材主要承担剪切载荷,上下表层提供弯曲刚性。在 放置梁帽处一般不铺放芯材,这样做可以增大梁帽间的距离,如上所述这样做会提高整 体的抗弯强度。

叶根设计
在空气动力学设计章节中提到为了与轮榖相连接,叶根部分通常设计为圆形。同时为 了满足维护等需要,叶片根部多以螺栓连接以便于拆装。对于金属大梁可以采用焊接 的法兰连接,但这种方法不适用于玻璃钢大梁。因为在法兰周围的树脂中会产生应力 集中。 大部分叶根设计是在玻璃钢根部留出螺栓孔,再将螺栓旋入或通过粘合剂粘接。载荷 通过螺栓传递,这种设计要求在轮榖内设置螺母。 无论是剪切腹板还是盒式大梁都需要和根部轮箍连接,盒式大梁可以在中央芯轴上缠 绕铺层,这种方法可以得到从根部圆形到前端方形的平滑过渡,这种方式由于根部铺 层较厚因此需要的生产时间较长。较厚的铺层更易产生放热问题,同时对铺层的质量 也要求较高。因此一些生产商将叶根作为独立部件生产,再将各部件粘接到一起。这 种情况下如果粘合失效会导致致命的破坏。总之,完美的粘接需要缜密的设计加上高 强度耐疲劳的粘合剂作为保证,此外还需特别注意避免粘接面的应力集中。

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刚性
上文我们讨论了叶片的强度,而叶片的刚性也是至关重要的。强度和刚性是两个完全不 同的性能指标,以橡胶带为例,它很容易伸长但却难以断裂,所以说橡胶带强度高但刚 性差。再比方说鸡蛋皮就属于刚性好但强度差的材料。 如果叶片的刚性不够,使用中可能会遇到几个问题,这些问题都和塔架有关。常见的塔 架多为圆筒形,气流会在顺风向形成湍流,处于顺风向的风机叶片当通过湍流区时会受 到不断变化的推力,这会降低发电效率并加大疲劳载荷。因此多数设计者将风机设计为 迎风型。但当迎风型风机叶片发生弯曲变形时,很容易发生撞击塔架的事故,所以我们 要求叶片具有较强的刚性,能够减小变形量防止撞击塔架。通常情况下规定运行中最大 变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。

避免撞击的一个简单的办法就是加大静止时的叶尖和塔架间距,可以调整转子位置或是 倾斜一定角度,还可以设计预弯型叶片或是锥形叶片。在实际应用中这些方案都或多或 少地存在一些问题,例如降低空气动力学效率,增加生产成本(例如加大间距型风机需 要更高性能的机舱轴承)等

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另外的一个问题是即使是迎风型叶片仍然会承受塔架周围的波动气流压力。这将增加疲 劳载荷(尽管没有顺风型风机严重)。更为重要的是将引起叶片共振。共振现象就像孩 子在荡秋千,如果持续以相同的频率施加外力给秋千,秋千会越荡越高,如果以不同的 频率施加外力,秋千就会变低。叶片产生的共振会显著地增加摆动,加大叶片以及轮榖 和传动轴承的疲劳载荷。因此叶片必须具有较高的刚性和较轻的重量以防止扫过塔架时 产生共振。而为了提高刚性增加的材料又会导致自重升高,因此必须通过加厚叶片来改 变自身的震动频率。 叶片通过连接件与轮毂连接,每个叶片的振动都会影响到其他叶片。因此每只叶片自 身的振动频率都不能和自身或其他叶片扫过塔架的频率相同。例如,如果一个叶片以 每2秒钟的频率扫过塔架,则叶片自身的振动频率就不能是1秒或3秒。对于变速风机而 言,这种要求更加难以实现

纤维类型
玻璃钢复合材料中最为常用的增强纤维是碳纤维和芳纶纤维。碳纤维的强度是玻纤的两 倍,模量是玻纤的3倍。高模量使得碳纤维复合材料具有更好的疲劳性能。但是因为碳 纤维的造价高昂,因此只被用在叶片中要求高强度和模量的部分。

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通常碳纤维被用在大尺寸叶片的梁帽中(超过80米直径),这是因为大尺寸的刚性较 差,在不增加附加材料的情况下不能满足设计要求。而附加材料不但会增加叶片重量, 还会降低自身频率(引发共振问题)以及增加疲劳载荷。基于以上原因,尽管成本上有 所增加,但由此换来的性能提升和重量降低使碳纤维应用成为可能。 理论上叶片的重量与长度的三次方成正比,而输出功率与长度的二次方成正比。我们知 道制造成本和重量也是成正比关系的,因此长度的增加并不一定代表发电成本的降低, 除非因为新增功率带来的成本降低可以弥补重量增加导致的成本升高。解决这一问题的 关键在于如何降低叶片重量,例如选用低密度的碳纤维等。

结构设计过程
翼面向受到推力作用产生弯曲载荷是叶片最主要的外加载荷。因此叶片设计中首先要考 虑的就是抗剪腹板和梁帽的组合是否能够承担这一弯曲载荷。如我们在本章开始提到 的,叶片的设计就是在动力学设计和结构设计之间取得一个平衡。而两者都会对最终的 发电成本产生重要影响。设计的过程就是通过分析厚度分布对发电效率和叶片重量的影 响来找到最优化的设计方案。 设计的过程是一个反复验证的过程。在设计方案确定前只能预估叶片的最终重量,而在 准确的重量数值获得后,也许需要重新调整设计方案,因为重量的变化会改变受力情 况。我们可以通过降低许用应力的方法来避免疲劳失效。如果无法获得疲劳性能数据, 可以根据GL提供的安全因子进行设计,通常数值为玻纤1千万次安全因子是5,碳纤维 1千万次安全因子是3。 在弯曲载荷确定后,接下来就是检查叶壳的抗扭刚性和防脱粘性。根部的设计要满足传 递载荷的要求,粘接处要避免内应力集中。

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接下来的工作就是通过一些分析手段进行详细的分析,例如有限元分析软件,通过三维 虚拟模型将叶片分成上千个单元,通过计算机模拟出每个单元的受力情况和施加载荷后 的变化情况,最后归纳出整个叶片的受力分析和变形情况。

失效前叶根部FEA受力分析示意图

如果对某些部位的疲劳性能有所担心,就可以通过FEA分析得到更加详细的信息。对于 承载能力较差的区域可以通过分析载荷图谱计算出叶片使用过程中的累积破坏,并确切 的知道是否会发生提前破坏。 下图表明了结构设计的基本流程以及结构设计和空气动力学设计的相互关系

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安全因子
与其他的结构设计一样,风机叶片的结构设计也需要安全因子来保证安全和预防不可预 知的问题,例如不准确的假定,叶片尺寸的变化,载荷与材料的变化等等。简单的说安 全因子就是通过放大外部载荷或降低设计许用载荷将失效的可能性降到最低。 风机设计规范采用更为精确的部分安全因子,也就是说总的安全因子等于多个部分安全 因子的乘积。每个部分安全因子都针对一个方面,例如载荷的不确定性,材料的老化, 制造工艺和原材料的变异。部分安全因子可以更加精确地控制叶片制造过程中的各项变 异。此外还有一个失效重要性因子,如果风机中的某个部件占有决定性的重要地位,那 么这个部件的失效重要性因子就会明显高于其他非重要部件。

测试
在没有测试数据的情况下,为了保证叶片的安全使用,通常会设定非常高的材料强度部 分安全因子。最为经济实用的测试方法就是采用小尺寸试样进行断裂强度和疲劳性能的 测试。通过测试结果的统计分析得出实际使用中材料的最低性能称为特征值。实验需要 重复进行且每个试样都要从不同的批次抽取,至少测试20个数据后计算出特征值,一般 情况下特征值的选择基于95%的置信区间,即95%的材料性能符合特征值要求。最后再 将特征值乘以部分安全因子后得到许用载荷。完整流程如下: 样品测试 → 平均值&标准差分析 → 特征值→ 部分安全因子 → 设计许用载荷 复合材料的强度通常以应变(材料所能承受的最大变形量)表征,而不是以应力(单位 面积的最大力)表征。这是因为复合材料的应力随厚度变化而变化,又受到纤维取向的 影响,这使得失效应力的计算十分复杂。而失效应变相对较为稳定。因此多采用应变作 为分析指标。 在设计完成后需要制造样机,并模拟使用中的受力情况测试最大弯曲强度和疲劳强度。

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叶片的设计寿命一般为20年,而测试中只能通过加速疲劳试验来验证叶片的疲劳性能, 通过这种方法疲劳试验一般可在几个月的时间内完成

结构设计总结
结构设计是对空气动力学外形设计,极端条件下的材料性能和疲劳载荷以及制造工艺的 综合分析。 大梁: 由于叶片自重和外部推力产生的弯曲变形是叶片的最主要载荷,为了提高弯曲性 能, 在叶片的长度方向上采用单向纤维布,且中间通过抗剪腹板将上下两层梁帽 尽可能分隔开,抗剪腹板采用对角铺放的双向纤维布加泡沫芯材构成。起到增 加整体刚性的作用。 叶壳构成了空气动力学外形,叶壳的夹芯结构增加了刚性,夹芯结构由玻璃钢表 层中间加杂泡沫芯材构成。夹芯结构具备足够的刚性承担弯曲载荷同时防止脱 粘。叶壳中的对角分布的纤维提供了必要的抗扭刚性。 叶片通过叶根与轮毂连接。为简化制造工艺叶根通常单独制造,再和大梁及叶壳 粘接在一起。

叶壳:

叶根:

强度和刚性: 叶片需要具有较高的强度以防止断裂,同时还要具有一定的刚性防止与塔 架发生碰撞。叶片的重量要足够轻以防止与塔架发生共振,导致碰撞塔架或疲 劳失效。 疲劳性能: 在20年的设计寿命中,叶片大约要经受1千万次的疲劳载荷。因此叶片的设 计许用载荷一定要低于最大断裂载荷(遭遇50年大风的情况下)。通过试样的 测试得到的载荷-循环次数曲线可以获得特定载荷下的循环次数结果。 纤维种类: 玻纤增强复合材料具有很高的比强度。碳纤维增强复合材料强度和刚性好但 成本较高,只用在大尺寸叶片的梁帽部分。

结构设计过程: n n n n n n n 通过试样测试得到材料的性能,同时考虑到材料本身和制造工艺的变异,经过部分 安全因子优化后得到材料的设计性能。 根据空气动力学外形设计以及叶片承受的推力进行初步的结构设计,确认结构设计 可以满足空气动力学设计要求。 根据初步的结构设计确定叶片重量和疲劳载荷。 检查叶壳的抗扭刚性和防脱粘性能。 确认制造工艺和材料以及重量和成本。. 通过有限元分析确认刚性,防脱粘性能和疲劳性能 样机制作和测试,验证断裂载荷和疲劳性能。
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