復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計的現(xiàn)狀與未來

1、復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計的現(xiàn)狀與未來在1920年，德國的物理學(xué)家AlbertBetz就對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過詳細(xì)的計算?；诋?dāng)時的計算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識，Betz在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是

2、由于過多的相信了風(fēng)洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時的葉片計算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動力學(xué)計算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動力學(xué)特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5％的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可

3、以相應(yīng)的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的Enercon公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。Enercon公司還對33米葉片進(jìn)行了空氣動力實驗空氣動力實驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為實際氣動效率為5656％，比按照BetzBetz計算的最大氣動效率低約3～4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改

4、進(jìn)：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑旋轉(zhuǎn)直徑7171米的米的2MW2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得異提高。Enercon公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部端部仍安裝的

5、傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運(yùn)行使產(chǎn)生的噪音。丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計中對其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域固定螺栓與螺栓空周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進(jìn)前增加20％。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進(jìn)一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。隨著計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，近年來，大型復(fù)合材料的葉片也向著智能化發(fā)展。

6、在最新一代的Enercon葉片中開始采用葉片自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⑷~片運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)百個電子信息自動的傳遞給葉片的控制系統(tǒng)，計算機(jī)管理系統(tǒng)每個月都會報告葉片的運(yùn)行情況、早期損傷情況，以利于使用者能夠?qū)p傷葉片進(jìn)行及時的修補(bǔ)。LM公司將光纖控制技術(shù)光纖控制技術(shù)用于制造智能復(fù)合材料葉片。在大型葉片制造中，尤其是近海風(fēng)場用的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于風(fēng)場的氣候條件惡劣，監(jiān)測和維護(hù)困難，對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預(yù)警顯得

7、十分重要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)合材料葉片的實時監(jiān)控，LM公司將光纖監(jiān)控技術(shù)用于復(fù)合材料葉片的制造，開發(fā)出具有智能功能的復(fù)合材料葉片。在制造大型復(fù)合材料葉片時，LM公司將光纖傳感器埋設(shè)和固定于復(fù)合材料內(nèi)部。當(dāng)這種智能復(fù)合材料葉片工作時，光纖傳感器就會將葉片工作時的狀態(tài)實時反映給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，將其反饋給風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。一旦葉片所承受外界載荷（溫度、風(fēng)速、風(fēng)載等）超過設(shè)計載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對葉片