当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

水平轴风机叶片技术发展概述


第 31 卷第 4 期 2010 年 8 月

能源技术 ENERGY T ECH NOL OGY

V ol. 31 N o. 4 A ug. 2010

清洁能源与新能源

水平轴风机叶片技术发展概述
顾荣蓉 1, 2 , 蔡 新1 , 朱 杰 1 , 潘 盼1 , 范钦珊3 ( 1.

河海大学工程力学系, 南京 210098; 2. 金陵科技学院建筑工程学院 , 南京 211169; 3. 南京工业大学力学部, 南京 211800) 摘 要 : 综述了目前水平轴风电叶片在气动设计、 结构设计和材料方面的发展现状; 分析了叶 片外形、 结构设计和叶片材料的进展; 指出了风电叶片技术未来的发展趋势, 并对我国风电叶片产 业提出了一些相关的建议 。 关键词 : 风电叶片; 气动设计 ; 结构设计; 叶片材料
中图分类号 : T K 83 文献标志码 : A 文章编号 : 1005 7439( 2010) 04 0213 03

Overview of Technical Development for Horizontal Axis Wind Turbine Blade
GU Rong rong1 , 2 , CAI Xin1 , ZHU Jie1 , PAN Pan1 , FAN Qin shan3 ( 1. Department of Engineer ing M echanics, Ho ha i U niver sity, N anjing 210098, China; 2. Department of Civil Eng ineering , Jinling Inst itute of T echno lo gy , N anjing 211169, China; 3. Department of M echanics, N anjing U niv ersity of T echnolo gy , N anjing 211800, China) Abstract: T he curr ent dev elo pment of aerodynamic design, structure desig n and mater ials fo r hor izo nta l axis wind turbine blade is summarized. T he technolo gy pr og ress o f shape design, str ucture desig n and mater ial is analysed. T he fut ur e development tr end of wind tur bine blade is po int ed out and so me co rr elative sug gestio ns to China w ind pow er industr y ar e also pro po sed. Keywords: w ind turbine blade; aer odynamic design; str ucture design; blade mater ial

风机叶片作为风电机组的核心部件之一 , 其性 能质量直接影响整体机组的效率 , 设计合理的叶片 是保证风电机组正常稳定运行的重要因素, 另一方 面叶 片 制 造 的 成 本 占 到 了 风 机 设 备 的 20% ~ 30% , 因此提高叶片的性能降低叶片的制造成本 , 一直是风电技术研究发展的重要课题。本文将从风 机叶片的气动设计、 结构设计和材料的角度, 总结和 评估风机叶片技术发展的历程 , 探索叶片技术发展 的关键, 并分析今后发展的方向。
[ 1]

而来的。19 世纪 20 年代一些著名气动学家 Bet z, Schmit z, Glauer t, Wilson 等在机翼理论的基础上发 展了风轮气 动理论 , 包 括动量 叶素 理论 和涡 尾迹 理论。 动量叶素理论实际上是动量理论和叶素理论的 综合 , 动量理论设想风轮处于理想的状态下工作 , 假 设风轮没有锥角, 旋转时没有摩擦力, 不考虑涡流损 失等 , 然后通过引入轴向诱导因子得出轴向力和功 能系数表达式 , 计算出理想状态下最大风能利用系 数为 0. 593, 即著名的 Bet z 极限 [ 2] , 该方法适合简单 的外形设计; 叶素理论将叶片沿展向分成若干个微 段, 称为叶素 , 并且假设叶素之间相互独立 , 通过各 叶素的气流不相互干扰 , 即将叶素看成二维翼型 , 通 过沿展向的积分求得叶素上的力和力矩 , 从而求得 功率 , 但叶素理论没有考虑叶尖旋涡造成的功率损 失。 Schmit z 理论考虑了叶片周向涡流损失 , 设计
213
[ 3]

1

风机叶片的气动设计

风机叶片的气动设计包括外形设计及气动性能 计算 , 气动外形影响叶片把风能转化为机械能的效 率, 气动性能是评价叶片外形设计的关键指标。 1. 1 气动设计理论 风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展

顾荣蓉等 : 水平轴风机叶片技术发展概述

结果相对准确一些。 Glauert

[ 4]

首先采用风轮尾 流

翼型。例如美国 Seri 和 NREL 系列、 丹麦 RISO A 系列 ( 丹麦的 L M 公司已开始在大型风机叶片上采 用 F FA W 系列 翼型 ) 、 瑞 典 F FA W 系列 和荷 兰 DU 系列。这些翼型各有优势 , Seri 系列 对翼型表 面粗糙度敏感性低 [ 11] ; RISO A 系列在接近失速时 具有良 好 的失 速 性能 并 且对 前 缘粗 糙 度 敏感 性 低
[ 12]

的叶素理论对叶片外形设计, 建立了动量 叶素理论 的雏形, 最初的设计忽略了叶片翼型阻力和叶尖损 失的影响 , 后来发现它们对风轮气动性能影响较大。 为此 Wilson
[ 5]

研究了叶尖损失和升阻比对叶 片气

动性能的影响, 对 Glauert 设计方法进行了改进 , 形 成了经典的动量 叶素理论, 之后动量叶素理论一直 被广泛用于风力机叶片气动性能的计算, 并不断地 被修正完善。 涡尾迹的理论认为风力机叶片上的诱导速度和 升力是由尾流中的自由涡流产生的 , 可根据附着涡、 尾涡和附着涡量变化引起的脱落涡来建立气动力计 算模型[ 6] 。代表性的 模型有 Gohard[ 7] 提出的 自由 尾涡模型, Kot b
[ 8]

; FF A W 系列具有良好的后失速 性能。大型

风机越来越多地采用专用翼型叶片的设计方案, 但 是由于空气动力的复杂性, 叶片外形的精确设计非 常困难, 最佳叶片翼型基本都是在梯形叶片的基础 上, 考虑叶尖速比、 雷诺数和升阻比的关系对叶片外 形进行优化[ 13] , 相关的设计方法仍需 深入地研究, 叶片翼型的改进还有很大的发展空间。

的刚性尾涡模 型, 以及 H umesT
[ 6]

M 的半刚性尾涡模型等

。涡尾迹理论最能体 现

2

风机叶片的结构设计
叶片的结构设计是一个复杂的过程 , 叶片结构

风轮涡尾迹结构 , 适合用于风力机复杂流场的模拟 , 并能给出叶片载荷的详细分布。随着计算机技术的 发展 , 计算流体力学方法 ( CFD) 在风力机气动性能 数值模拟方面越来越受到重视。 CF D 方法是 根据 气动理论建立不同的计算模型 , 通过计算机数值模 拟, 分析和显示风力机旋转过程中流场发生的各种 现象 , 预测叶片的气动性能。CF D 方法由传统的二 维动量叶素理 论方法发展到 现在的求解三 维 N S 方程的全湍流计算方法, 文献 [ 9] 对国内外 CFD 方 法的研究现状进行了评述, 指出目前还没有一种模 型能用于所有翼型的气动性能计算 , 而且翼型静态 和动态失速的计算结果, 与实验还存在差距。 1. 2 气动外形设计 气动翼型设计主要是气动性能的优化设计 , 设 计合适的翼型可以在特定的风速分布下获得最大风 能, 或者能够限制失速风力机最大功率输出 [ 10] 。由 于叶片翼型对叶片的气动性能和质量有重要影响 , 因此是大型风电叶片设计的关键之一, 翼型的进步 也是叶片技术发展的主要动力之一。 早期的水平轴风机叶片普遍采用航空翼型 , 例 如 NACA 44 特点
[ 10]

设计以叶片的气动载荷分析为依据 , 设计目标是充 分利用材料的性能 , 使大型叶片以最小的质量获得 最大的扫风面积, 让叶片具有更强的捕风能力, 同时 还要求 设 计的 叶 片结 构 满足 强 度要 求 和 刚度 要 求
[ 14]

, 保证结构的局部和整体稳定 , 运行时发生的

振动最小或不出现共振。目前结构设计参考的规范 主要有 IEC 国际标准和德国 GL 标准[ 15] 。 2. 1 叶片的结构形式 目前世界上的大、 中型风力机的叶片, 大多采用 型钢主梁、 蒙皮外壳、 夹层腹板、 金属预埋件连接叶 根与轮毂的结构形式 , 叶片结构设计主要有根部联 接设计、 蒙皮和夹芯设计、 主梁设计、 预弯式结构设 计。在叶根的联接设计中, 大中型风电叶片大多采 用预埋金属件或螺栓的根端联接形式 [ 15] 。蒙皮外 壳除满足气动性能外 , 也承担部分弯曲载荷和剪切 荷载 , 蒙皮主要采用双轴复合材料 , 叶根区域常采用 强度高的翼形蒙皮结构来承受弯曲和疲劳载荷; 叶 尖区域常采用薄 的翼形结构来满足气动 性能的要 求, 叶尖蒙皮外形通常有平头和剑头两种形式, 相对 于剑头叶尖, 平头叶尖的外形有很好的气动性能 , 但 运行噪声大, 所以在对噪声要求严格的地方 , 通常选 用剑头外形[ 16] 。主梁承担大部分弯曲载荷 , 是叶片 的主要承载结构, 常用的形式有 D 型、 O 型、 矩形和 双拼槽钢等 , 腹板为夹芯结构 , 对主梁起 到支撑作 用。叶片结构的设计主要包括叶片各截面蒙皮、 主 梁以及腹板的铺层设计 , 以及材料的方向和厚度的 选择。

和 NACA230

, 因为它们具有

最大升力系数高、 桨距动量低和最小阻力系数低等 , 但是这些翼型对前缘粗糙度非常敏感 , 一
[ 3]

旦前缘由于污染变得粗糙, 会导致翼型性能大幅度 下降 , 年输出功率损失最高达 30% 。随着风电设 备的发展 , 机组对叶片性能要求也不断提高, 传统的 航空翼型已经不适合用于设计高性能的叶片 , 因此 美国、 瑞典和丹麦等国家开始着手开发专用的风机
214

顾荣蓉等 : 水平轴风机叶片技术发展概述

2. 2

叶片的结构分析 风机叶片的结构分析在结构设计过程中是重要

56 m 长的风机叶片也采用了碳纤维 。最近美国 和欧洲的研究分析指出 , 含有碳纤维之玻璃纤维层 压制品已经成为兆瓦级风叶片的很有发展前景的换 代产品。 Vest as 公司在其 3M W 机型 44 m 的叶片 主梁上也使用了碳纤维 , 使得叶片重量降至 6 t, 与 2M W 机型使用的 39 m 叶片重量相同 ; E. C. 公司资 助的研究计划指出在直径 120 m 叶片转子中添加 碳纤维能有效减少总体重量达 38% , 另外也使得设 计成本减少 14% [ 19] 。不过碳纤维复合材料的性能 虽然很优越, 但价格昂贵( 是玻璃钢复合叶片的 2~ 3 倍) , 影响了它在风力发电上的应用。 3. 2 绿色环保叶片的研发 玻璃钢叶片的废旧产品在退役后不易分解和燃 烧, 国内外大多采用填埋的方式处理, 这对土地和环 境造成了较大的影响。近年来, 科研学者和研究机 构开始积极探寻低成本、 可回收利用的绿色环保叶 片。国内学者 [ 20- 21] 研究了分级杉木和分级竹青板 制成的复合材料风电叶片的制备, 进行了力学性能 的试验, 研究结果表明叶片的力学性能均达到或超 过目前国外风电叶片在用的常规木材/ 环氧层积材 的叶片, 完全能够替代目前大量使用的玻璃钢叶片 材料。爱尔兰 Gaot h 公司 与日本三菱重 工和与美 国 Cyclics 公司签署合作协议研究热塑性复合环保 叶片 , 爱尔兰 L imerick 大学和国立 Galw ay 大学开 展了热塑性复合 材料先进成型工艺技术 的基础研 究, 美国 Cyclics 公司利用其开发的低粘 度热塑性 CBT 树脂材料制作了全球首个 12. 6 m 可循环风力 机叶片, 该叶片退役后可再回收利用 [ 22] 。目前一些 复合材料公司正在对材料、 工艺和质量控制等展开 研究 , 以求开发成本较低的绿色叶片。

[ 14]

的一个环节。由于叶片的叶根、 前后缘、 腹板和主梁 都是采用复合材料的铺层设计 , 采用理论方法计算 精确的解析结果非常困难, 目前风机叶片的结构分 析基本都是采用通用的商业有限元软件 , 比如 AN SYS, NAST RAN 和 A BAQU S 等。不同的软件 在 单元模型的选取上有一定的差异 , 目前常用的单元 模型有壳单元、 梁单元和实体单元 , 其中壳单元可以 模拟叶片表面和夹芯结构以及设置蒙皮与主梁的连 接, 节点编设灵活, 实体单元按真实结构建立 3D 单 元[ 17] 。 C. Kong [ 15, 18] 采用了 3D 层合板复合材料壳 单元和 3D 层合板夹芯三明治单元, 对叶片结 构进 行静力分析、 模态分析、 屈曲分析 , 所设计的叶片结 构满足了标准要求。有限元法可用于设计和模拟分 析, 但在模拟校核中应用得更多, 设计和校核须交叉 进行 , 使叶片满足设计规范和标准的要求。

3

风机叶片的材料
风机叶片材料的强度和刚度是风力发电机组性

能优劣的关键。随着叶片技术和材料科学的发展叶 片的材料也不断进步, 从最初的木制叶片及布蒙皮 叶片开始 , 经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、 铝合金叶 片、 玻璃钢叶片、 玻璃钢复合材料叶片, 目前已经采 用高强轻质的碳纤维增强复合材料。 3. 1 叶片材料的进展 玻璃钢叶片和玻璃钢复合材料叶片强度高、 重 量轻、 耐老化, 因此在大、 中型风力机叶片中被广泛 采用。玻璃钢叶片的性能还可以通过表面改性、 上 浆和涂覆加以改进, 例如采用射电频率等离子体沉 积去涂覆玻璃钢叶片, 其耐拉伸疲劳就可以达到碳 纤维的水平, 而且经这种处理后可以降低纤维间的 微振磨损。但是玻璃钢叶片密度较大, 随着叶片长 度的增加也越 来越重, 例如当叶片长度为 19 m 时 质量 1. 8 t , 长度增加到 34 m 时重 5. 8 t, 如叶片达 到 52 m 质量高达 21 t
[ 1]

4

展望
随着风电产业在全球范围内的发展 , 风机叶片

技术在未来的发展趋势主要集中在叶片外形的改进 和新材料的应用方面。叶片外形已经比较稳定, 但 在细部仍存在改进空间 , 尤其是在大尺寸叶片方面, CFD 方法的发展将使得科研人 员对叶片翼型进行 更加精确地计算和设计 ; 随着叶片向大型化方向发 展, 轻质高强的碳纤维材料将逐渐扩大应用范围 , 但 能否大规模应用还取决于新材料的价格 , 因此降低 热塑性、 竹质绿色环保叶片的成本也是叶片材料研 究的一个热点 , 设计出更加高效、 更低成本和可靠度 高的风电叶片仍需科研人员的进一步探索。 ( 下转第 218 页)
215



随着叶片长度的增加, 刚度是一个十分重要的 指标 , 为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量 , 在大 型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域 , 碳纤 维增强复合材料逐渐被采用。丹麦 L M 公司开发 的应用于 5 M W 风力发电机上的 61. 5 m 长的大型 风机叶片, 其重量为 17. 7 t, 在横梁和端部就使用了 碳纤维增强材料。德国 Nor dexRot or 公司开发 的

赵 雨等 : 磁场对硅太阳电池基体材料杂质的能级调控及其对转换效 率的影响

材料的杂质能级来改善硅太阳电池的电性能。相比 传统工业除杂, 通过磁场调控能级来改善硅太阳电 池有很大优点: 首先 , 传统工业除杂要消耗很大的电 能, 磁性材料尤其是硬磁不需要消耗电能就可以产 生很大的磁场, 节省了硅电池集体材料生产中的能 源消耗 , 降低了生产成本 ; 其次 , 传统工业除杂要用 到各种化学制剂 , 而有些制剂是对环境有很严重的 污染 , 磁场调控能级这一方法不需要化学制剂 , 对环 境几乎没有污染。 参考文献 :
[ 1] Smestand, G rey P. K r ebs, etc. Repo rt ing solar cell ef [ 11] [ 4] [ 5] [ 3] [ 2]

ficiencies[ J] . So lar Energ y M at erials and So lar Cells, 2008, 4( 92) : 371- 373. L IN DH OL M F A, L I S S, SAH C T . Fundamental L im itatio ns Imposed By H ig h Do ping on T he P erfor m ance o f p - n Junction Silico n Solar Cells [ C] / / 14th I EEE Photo voltaic Specialist s Co nfer ence, 1975: 1317. 赵富鑫 , 魏彦章 . 太 阳电池及其应用 [ M ] . 北京 : 国防工 业出版社 , 1985: 39- 44. 张世远 , 都有为等 . 磁性材料 基础[ M ] . 北京 : 科学出版 社 , 1988: 33- 34. 褚圣鳞 . 原 子 物 理 学 [ M ] . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2004: 170- 196.

( 上接第 215 页 ) 目前 , 我国风电叶片技术还比较后 , 国内兆瓦级 以上叶片的制造大多引进国外的技术。因此加强风 电人才培养, 增加技术 开发投入 , 掌握叶片设计 方 法, 研制出我国自主知识产权的叶片是我国风电产 业发展的重要环节。 参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] 李成良 , 王继辉 , 薛忠 民 . 大 型风 机叶 片材料 的应 用和 发展 [ J] . 玻璃钢 / 复合材料 , 2008( 4) : 49- 52. T o ny Burt on 等著 , 武鑫等译 . 风 能技 术 [ M ] . 北 京 : 科 学出版社 , 2007: 9. 李军向 , 薛忠民 , 王继辉 , 等 . 大型风轮叶片设计 技术的 现状与发展趋势 [ J] . 玻 璃钢 / 复合 材料 , 2008( 1) : 4851. [ 4] [ 5] GL A U ERT H , A irplane P ropellers, A erodynamic

T A N GL ER J L, SOM ER S D M . Status of the Special Pur pose Airfo il Families [ R ] / / SERI/ CP 217 3315, Pr oceeding s of W IN DPO WER87. San F ransisco, U . S. A . 1987: 229- 335.

[ 12]

Peter Fuglsang , K r istian S Dahl. Desig n of the N ew Riso A1 A irfo il Family fo r W ind T urbines[ C] / / 1999 Eur opean Wind Energ y Conference Nice, 1999: 134- 137. Fr ance,

[ 13] [ 14] [ 15]

芮晓明 , 马志勇 , 康传明 . 大型风电机 组叶片翼型的设 计方法 [ J] . 农业机械学报 , 2008( 2) : 192- 194. 靳交通 , 周鹏展 . 大型水 平轴 式风 电叶片 的结 构设计 [ J] . 可再生能源 , 2009( 2) : 65- 68. K ON G C, BA N G J, SU G IYA M A Y. St ruct ur al in vestig ation o f composite wind turbine blade consider ing v ario us lo ad cases and fat igue life [ J] . Energ y, 2005, 30: 2101- 2114.

[ 16]

JAM ES E, L O CK E. T homas M H ermann. L aminat e desig n fo r co upled w ind turbine blades [ C ] / / 44th A IA A aero space sciences meeting and exhibit , R eno N evada, 2006.

T heor y[ M ] . W. F. Dur and, 1943. WI LSO N R E, L ISSAM A N P B S, W A LK ER S N . A ero dy namic Perfo rmance o f Wind T urbine[ D ] . Or e go n State U niv ersity , 1976. [ 6] [ 7] W. 约翰逊 , 孙如 林译 . 直 升机 理论 [ M ] . 北 京 : 航空 工 业出版社 , 1991. GO H AU L J C. F ree W ake A nalysis of W ind T ur bine A ero dy namics [ R ] / / ASRL , T R 184 14, A ero elastic and St ructur es R esear ch L aborato ry Depa rtment of A ero nautics and A stro nauts, M IT , 1978. [ 8] K OT B M A , A DBEL H aq M M . A Rig id Wake M od el fo r a H or izo nt al A x is Wind T urbine[ J] . Wind Engi neer ing, 1992, 16( 2) : 95- 108. [ 9] [ 10] 张义华 . 水平轴 风力机空气动力 学数值 模拟 [ D] . 重庆 大学硕士学位论文 , 2007: 4. T ON Y B, D AV ID S, JEN K INS N , et al. W ind Ener g y H andbook[ M ] . Jo hn W iley& So ns L td: 2001. 218 [ 22] [ 21] [ 20] [ 19] [ 18] [ 17]

徐玉秀, 张承东 . 风力机叶片应变响应分 形特征及损伤 识别研究 [ J] . 机械科学与技术 , 2009( 1) : 108- 110. K ON G C, KIM J. Structural desig n of medium scale composite w ind turbine blade[ J] . KSA S Int J, 2000, 1 ( 1) : 92- 102. 马振基 , 林育锋 . 复合材 料在 风力 发电上 的应 用发展 [ J] . 高科技纤维与应用 , 2005( 4) : 5- 8. 黄晓东 , 江泽慧 , 任海 青 , 等 . 分 级杉 木风 电叶片 复合 材料的制备与 研究 [ J] . 福 州大 学学 报 , 2008( 5) : 714 - 717. 黄晓东, 江泽慧 , 陈玲 . 竹青板 作为风 电叶片 复合材 料 增强相的性能评价[ J] . 应用与研究 , 2009( 1) : 23- 26. 中复连众 . 复 合 材 料 风 机 叶 片 性 能 的 现 状 与 未 来 [ R] . 2007.


相关文章:
国内轴流通风机技术发展水平与现状概述
国内轴流通风机技术发展水平与现状概述_纺织/轻工业_工程科技_专业资料。轴流式...业在引进国外纺织设备中引进了瑞士罗瓦轴流通风机, 该风机为机翼型铸铝叶片, ...
国外轴流通风机技术发展水平与现状概述
国外轴流通风机技术发展水平与现状概述_机械/仪表_工程科技_专业资料。国外轴流...“T”型风机最早为铝叶 片,1960 年研制出聚酯玻璃钢叶片,从此之后限制了铝...
风能叶片发展史
水平轴风力机而言,当风流经过叶片表面时,由于流经上下表面速度不 同,形成压...自动化控 制系统、液压和传感技术风机制造的关键也是国产化进程中的重点和难点...
水平轴风力机课程设计
(叶片、风轮)载荷和技术参数; (3)完成叶片设计...水平轴风力机的设计 一、设计概述 1 我国发展风能...2006 年 1.5 兆瓦的国产风机问世,2007 年开 2 ...
垂直轴与水平轴风电技术及效益的特点分析
垂直轴与水平轴风电技术及效益的特点分析_物理_自然...叶片旋转空间 抗风能力 噪音 启动风速 地面投影对人...(注:仅供参考) 大力发展风电,离不开风机的国产化...
风机发展现状
机型 1.1水平轴风力机与垂直轴风力机 的科研成果,得到了快速的发展.技术趋于...叶片尖速比可以达到4左右。 作者简介:李岩(1972一)。博士,副教授,国家自然 ...
2016年风机叶片调研及发展前景分析
概述 1.1.7 风电场相关概述 1.2 风电叶片的相关概述 1.2.1 风机叶片...核心技术水平和自主创新能力低下制约自主化发展 3.6.2 兆瓦级新型风电机组质量...
风力发电技术研究文献综述
风力发电技术研究文献综述伴随着经济的快速发展和全球...轮扫掠面总是垂直于主风向,风轮沿水平轴旋转,以便...在变桨距风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心旋转,...
风机叶片检验主要项目概述
风机叶片检验主要项目概述_能源/化工_工程科技_专业资料...技术要求也在提高,因此生产风机叶片 的风险也在提高...叶片的测试与认证 目前德国、 丹麦与印度等风电发展...
风力发电机文献综述
随着国民经济的持续发展,能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活,因 此人们...水平轴风机主要包括叶片技术、发电机和传动技术、并网技术 三大部分。其中叶片技术...
更多相关标签:
风机叶片 | 风机叶片结构 | 风机叶片材料 | 风机叶片结构图 | 垂直轴风机叶片 | 风机叶片图片 | 风机叶片设计 | 冷却塔风机叶片 |