风力发电机叶轮技术的发展现状

农村牧区机械化 !""# 年第 # 期 （ 总第 $" 期）
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研究、 试验与应用Fra bibliotek璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片 !"#。 !"# 风力发电领域中叶片翼型的研制情况 构成风力机叶轮翼型的性能如何， 直接影响着风能转换的 效率。翼型因风力机的种类而异， 第一批风车的叶片是由覆盖 亚麻布的木架构成的， 叶片由支撑杆两边的木梁支承。后来木 梁移至叶片的后缘以改善空气动力效率。低速风轮采用薄而略 凹的翼型；现代高 速 风 轮 都 采 用 流 线 型 叶 片 。 其 翼 型 通 常 从 $%&% 和 ’())*+,- 系列中选取。这些翼型的特点是阻力小 .空气 动力效率高， 而且雷诺数也足够大。早期的水平轴风力机风轮 叶片普遍采用航空翼型， 例 如 $%&%//00 和 $%&%12300， 因为 它们最大升力系数高， 桨距动量低和最小阻力系数低。实践表 明， 标准航空类翼型并不适用于风力机应用。 4562 年后风力机设计者开始采用为风轮所特殊设计的 新 型翼型 .美国、 瑞典和丹麦等风能技术发达国家都发展各自的翼 型系列。其中以瑞典的 77%— 8 系列翼型最具代表性。77%— 8 系列翼型的优点是在设计工况下具有较高 的 升 力 系 数 和 升 阻比， 并且在非设计工况下具有良好的失速性能。 随着风力机的发展， 叶轮叶片在满足空气动力学的基础上 已设计出 9:%;9<= 型、 双羽型、 $%&% 型、 7> 型、 & 型梁、 ?型 梁叶片、 变桨距叶片。在国内， 风力机翼型的研究工作仍停留在 普通航空翼型阶段， 最有代 表 性 的 是 $%&% 系 列 ， 对新翼型的 研究很少。由于缺乏风力机专用新翼型的几何参数和气动性能 参数， 直接影响了我国大型风力机气动设计水平。 # 叶轮气动设计的新技术和新方法 风力发电 机 提 高 风 轮 的 效 率 可 以 多 发 电 ，按 照 传 统 的 观 点， 叶片表面应是愈光滑愈好， 但是最新的研究发现， 在叶片表 面某部位， 增加局部粗糙度， 可以提高叶片的升阻比。在翼型下 表面后缘贴粗糙带， 增加了 翼 型 的 环 量 和 翼 型 的 升 阻 比 ， 因而 提高了叶片的效率。风力机还可以通过叶片上加襟翼来增加功 率。 近十几年来， 计算流体动力学 （&7?） 成为流体力学空气动 力学领域中发展最快的方向之一。随着计算流体力学水平的提 高， 各种叶片几何优化的方法开始出现， 采用数值计算方法， 或 是叶片边层的分析， 各截面 气 动 参 数 的 准 确 确 定 ， 实现在一定 输出功率下的最佳叶片的几何形状和气动设计。气动设计的新 方法可分为两大类： 一类是 直 接 数 值 优 化 方 法 ， 简称为最优化 设计方法， 它将 &7? 同最优化方法结合起来， 通过几何形状的 不断修正来寻求目标函数的极值。另一类是反设计方法， 它是 首先给定希望达到的气动状态 （如压力分布） ， 通过几何和流动 的控制方程， 逐步逼近给定 的 气 动 状 态 ， 求得满足给定流场的 气动翼型， 它克服了传统翼 型 设 计 方 法 的 许 多 缺 点 ， 具有广泛 的应用前景。 ) 浓缩风能型风力发电机叶轮设计的发展 叶轮是风力发电机 最 重 要 、 最昂贵的部件， 单个部件约占
研究、 试验与应用
风力发电机叶轮技术的发展现状
赵慧欣 田 德 王海宽 韩巧丽 孔令军 （内蒙古农业大学机电工程学院
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总结了风力发电机叶片的结构 !摘 要 " 本文通过对国内外风力发电现状及风力机叶轮技术发展的分析与研究， 形式、 风力发电领域中叶片翼型的研制情况、 叶轮气动设计的新方法和新技术， 并在此基础上介绍了浓缩风能型风力 发电机叶轮技术的发展。 经风洞实验和应用实验证明， 浓缩风能型风力发电机叶轮具有切入风速低、 输出功率大、 风能 利用率高、 叶轮直径小、 噪音低、 成本费用低等特点。 !关键词 " 风力发电机 叶轮 技术 发展 风能是一种清洁的可再生能源。 据世界气象组织 （$%&） 分 析， 全球总风能为 ’("!")*$， 其中可利用的风能为 +("!"!*$,"-。 因此， 开发和利用风能资源， 不仅可以为 +" 世纪寻找新的替代 能源， 而且有利于环境保护。风力发电已进入商业化发展的前 期阶段， 与之相配套的叶轮技术的发展也十分迅速。风力发电 机的风轮是接受风能的最主要部件， 也是风力发电机中最基础 和最关键的部件， 其良好的 设 计 、 可靠的质量和优越的性能是 保证机组正常稳定运行的决定因素。 # 世界风力发电现状和前景 风能是世界上能源利用中增长速度最快的清洁能源， 是未 来基于可持续发展和 零 污 染 电 能 的 一 线 希 望 。 在 过 去 的 几 年 中， 新建风能设备已经超过了新建核能设备 ,+-。目前， 中、 大型风 力发电机组已在世 界 上 .! 多 个 国 家 陆 地 和 近 海 并 网 运 行 ， 风 电 增 长 率 比 其 它 电 源 增 长 率 高 的 趋 势 仍 然 继 续 。 "//0 年 到 风电平均增长率为 ’"1 ， 风电电量已经占到世 +!!+ 年 ) 年中， 界总电量的 !2.1,’-。+!!+ 年欧洲风能协会与绿色和平组织发表 （$345 6789: "+ ） ” 的报告。 《风能 "+1 》 了一份标题为 “风力 "+ 是一个世界性的行动方案，即使全球电能消耗在 +! 年内翻一 番， 风能仍能提供全世界电能总量的 "+1 。现在， 全世界有 .; 个以上的国家正积极促进风能事业的发展 ,+-。到 +!!+ 年底， 世 界 累 计 装 机 容 量 为 ’+!’)%$， 其 中 +!!+ 年 新 安 装 的 容 量 为 )+’"%$。预期到 +!!) 年 世 界 风 力 发 电 机 的 装 机 容 量 将 达 到 ,.（见表） 。 #’’"/%$ $ 风力发电机叶轮技术的发展 !"# 国内外风力发电机叶片的发展 美国的 <=>8?:@ 62A8B@= 建立了世界上第一个用于 "### 年， 丹麦 发电的风力机， 叶片采取平板设计， 故效率较低。 "#/" 年， 的 C7B? D><7B8 教授首先将气体动力学引入风力机的研究 ,;-。 但 此时空气动力学尚不够准确， 故叶片的设计仍不很理想。 +! 世 纪初， 空气动力学的蓬勃发展和飞机的发明使人们对叶片的气 动设计更为重视， 它决定了整个风力机能从风中提取的能量多 少及其转化效率。现代风力机大都采用水平轴转子， 叶片多采 用轻型玻璃钢纤维强化新材料， 三叶片翼面形状。在保护系统 方面， 由于采用顺桨机 构 的 阻 尼 装 置 和 紧 急 制 动 阀 ， 在风速过 大时可自动减速， 遇到台风时， 叶片能自动停止运行， 实现自动 保护。由于采用大型风力发电机、 新型叶片设计、 高级新型材料 以及符合空气 动 力 学 的 控 制 装 置 等 ，使 风 力 发 电 能 力 大 大 提 高， 从而降低了发电成 本 。 世 界 生 产 叶 片 三 个 顶 级 公 司 （丹 麦 丹麦 EF 公司； 德国 G4:8H974 ） 占世界玻璃钢 （6IC） 叶 D% 公司； 片总产量的 #’1J 其叶片直径也从十几米发展到一百多米。 +!!! 年举行的北京国际可再生能源展览会上汇聚 了 国 内 主要的风力发电机和玻璃钢 （6IC） 叶片制造公司， 共 "" 家。其 中大型风力发电机叶片制造主要集中在两家： 一是航空工业总 公司保定螺旋桨制造厂； 二是上海玻璃钢结构研究所。保定螺 旋桨制造厂是有多年研制航空螺旋桨经验， 完备的桨叶气动设 计、 计算、 研制、 试验力量和 检 测 手 段 ， 是国内最大的风力机制 造企业之一， 年产各种型号的复合材料叶片数千片。目前我国 的风力发电机的叶片绝大多数是实心 6IC 的，极少数是 木 质 成型工艺除来自美国的 （# 6IC 蒙皮结构和木材外粘环氧玻璃； 号） 是拉挤成型外， 其余一律是手糊工艺 ,0-。 !"! 风力发电机叶片的结构形式 小型风力发电机也 +2+2" 木制叶片及布蒙皮叶片。近代的微、 有采用木制叶片的， 由于木制叶片不易做成扭曲型， 而常采用 等安装角叶片。大、 中型风力发电机很少用木制叶片， 采用木制 叶片的也是用强 度 很 好 的 整 体 木 方 做 叶 片 纵 梁 来 承 担 叶 片 在 工作时所必须承担的力和弯矩。 +2+2+ 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片。叶片在近代采用钢管或 K 型型 钢做纵梁， 钢板做肋梁 ， 内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构 形式， 一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及 K 型 型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小， 以满足扭曲叶片的要求 并减轻叶片重量， 即做成等强度梁。 +2+2’ 铝合金等弦长挤压成型叶片。用铝合金挤压成型的等弦 长叶片易于制造， 可连续生产， 又可按设计要求的扭曲进行扭曲 加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实 现。铝合金叶片重量轻、 易于加工， 但不能做到从叶根至叶尖渐 缩的叶片， 因为到目前为止世界各国尚未解决这种挤压工艺。 不饱和树脂等 +2+2. 玻璃钢叶片。所谓玻璃钢就是环氧树脂、 塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增 强塑料强度高、 重量轻、 耐老化， 表面可再缠玻璃纤维及涂环氧 树脂， 其它部分填充泡沫塑料。 世界工业发达国家的 +2+2; 玻璃钢复合叶片。到二十世纪末， 大、 中型商品风力发电机的叶片， 基本上采用型钢纵梁、 夹层玻
整个风力机成本的 13@ 。因此， 设计性能优良的叶轮是至关重 要的。在设计叶片时要求有高效的接受风能的翼型， 合理的安 装角， 科学的升阻比、 尖速比和叶片扭曲。由于叶片直接迎风获 得风能， 所以还要求叶片有合理的结构、 先进的材料， 以使叶片 能可靠地承担风力、 叶片自重、 离心力等给予叶片的各种弯矩、 拉力， 而且还要求叶片重量轻 、 结构强度高、 运行安全可靠、 易 于安装、 维修方便、 制造容易、 制造成本和使用成本低 !"#。浓缩风 能型风力发电机 叶 轮 能 够 实 现 高 风 速 时 采 用 流 体 力 学 原 理 自 动限速， 不停机连续发电的特殊功能。 浓缩风 能 型 风 力 发 电 机 中 央 流 路 流 场 特 性 是 叶 轮 设 计 的 主要依据之一。根据风洞实验结果， 先是设计了 4A 种不同叶片 数、 不同实度的叶轮， 其中变截面叶轮为叶根弦长大、 叶尖弦长 小， 翼型为 $%&% 型叶片 （如图 4 ） 。 然后在此基础上考虑影响叶 轮风能利用系数等因素， 着重设计一种适合浓缩风能装置流场 特性的系列化独特叶轮， 其 功 率 为 B338 的 叶 根 弦 长 小 、 叶尖 。并综合国内外叶轮设计理论初步 弦长大变截面叶片 （如图 1 ） 建立大、 中、 小型浓缩 风 能 型 风 力 发 电 机 系 列 化 叶 轮 设 计 理 论 体系。新型叶轮经实验证明： 与普通型风力发电机相比， 在相同 的功率下， 浓缩风能型风力发电机实现了小直径下达到额定功 率的目标； 其小叶轮直 径 大 功 率 输 出 ， 其驱动叶轮的工质是经 过加速、 整流和均匀化 的 自 然 风 ， 减少了叶轮受冲击载荷的破 坏 !6#， 提高了叶轮和机组的寿命， 为浓缩风能型风力发电机向 中、 大型并网式机组发展奠定了一定的基础。综上所述， 浓缩风 能型风力发电机叶轮具 有 切 入 风 速 低 、 输出功率大、 风能利用 率高并且叶轮直径小、 噪音低、 成本费用低等特点。 —— —— —— —— —— — 参考文献： $" 薛桁 % 朱瑞兆 % 杨振斌 % 袁春红 " 中 国 风 能 资 源 贮 量 估 算 " 太 阳能学报 "!&&$%!!’!() $*+,$+& 严天鹏 " 世界 《风能 $!- 》 蓝图 （上） !" 郝丽珍， " 太阳能 "!&&# （. ） #" 施鹏飞 " 我国风电场将进入大规模发展时期 "!$ 世纪太阳 能新技术 ’!&&# 年中国太阳能学会学术年会论文集 (" 上海： 上海 交通大学出版社， !&&#" //"0#.10#2 武鑫， 赵斌， 许洪华 " 世界风力风电现状及发展趋 ." 李亚西， 势 " 太阳能 "!&&. （$ ）