风力发电机叶片技术的发展概况与趋势[1]

引言 风力发电是与传统燃料发电相竞争的无污
染发电方式， 是富有生命力的清洁能源。近年 来， 风力发电产业发展迅速， 世界各国风电装机 容量与日俱增。据世界风能协会统计， 到 ２００５ 年 １２ 月 ３１ 日， 世界装机容量已达 ５８９８２ＭＷ，比 ２００４ 年多 １１３１０ＭＷ。目前风力发电电量占全球 发电电量的 １％， 部分国家及地区已达 ２０％甚至 更多。
图 １ 风轮旋涡系统
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图 ２ 叶片的气动特性
由矢量合成， 有：
Ｗ（ｒ）＝ｕ（ｒ）＋ｒΩ＋ω（ｒ）
式中： Ｗ（ｒ）— ——相对风速；
ｕ（ｒ）— ——轴向风速；
ｒΩ— ——由于叶轮转动而带动风的周向速度
ω（ｒ）— ——周向诱导速度
主梁承担大部分弯曲载荷， 而外壳除满足 气动性能外， 也承担部分载荷。主梁常用 Ｄ 型 Ｏ 型、矩形和双拼槽钢等形式， 如图 ３。主梁主要承 担弯曲载荷， 常用 ４： １ 布沿轴向铺设。气动外壳 处承担部分弯曲载荷， 主要承担气动扭矩， 按优 化设计理论， 应布置一些±４５ 度布层。为简化成 型工艺， 可不用±４５ 度布层， 采用 １： １ 和 ４： １ 布， 均沿轴向铺设。
风力发电机依靠叶轮吸取风能 ， 叶轮直接 决 定 风 力 发 电 机 的 重 要 性 能 指 标 — — — 风 能 利 用 系数。叶轮性能的好坏取决于叶轮直径、叶片 数、叶片各剖面 的 弦 长 、厚 度 及 翼 型 、叶 片 扭 转 角等。由于实际风速变动及风向不稳等各种瞬 态激励的影响 ，实际运行工况相当复杂。计算中 ，需对这些条件进行简化 ，提出简单实用的数学
模型。经典的叶片设计理论有贝茨理论、简化的 风 车 理 论 、叶 素 理 论 、动 量 理 论 和 葛 劳 渥 旋 涡 理 论等， 这里主要介绍由美国马萨诸塞州 Ａｍｈｅｒｓｔ 大学提出的经过改进的 Ｇｌａｕｅｒｔ 理论。Ｇｌａｕｅｒｔ 理 论考虑了风轮后涡流流动 ，并假定：
①忽略叶片翼型阻力和叶梢损失的影响； ②忽略有限叶片数对气流的周期性影响； ③叶片各个径向环断面之间相互独立。 １．１ 风轮的涡流系统 由涡流引起的风速可看成是由下列三个涡 流系统叠加的结果（ 如图 １） ： ①中心涡， 集中在转轴上； ②每个叶片的附着涡； ③每个叶片尖部形成的螺旋涡。 １．２ 公式推导 在叶轮上取一个环断面， ｒ 为径向方向 （ 如 图 ２） 。
叶 轮 是 风 力 发 电 机 最 重 要 、最 昂 贵 的 部 件 ， 单个部件约占 整 个 风 力 发 电 机 成 本 的 ２０％， 而 叶轮的关键则是叶片。有关风力发电机叶片技 术主要包括叶片的设计理论， 叶片的结构形式， 叶片材料选择， 叶片翼型的选择和叶片的加工 工艺等方面。以下将详述风力发电机叶片技术 的发展概况与发展趋势。 １ 叶片的设计理论
固化后的叶片由自动化操纵的设备运送到 下一道工序， 进行打磨和抛光等。因为模具上涂 有硅胶， 因此， 叶片不再需要再油漆。此外还必 须注意， 在工艺制造过程中， 尽可能减少复合材 料的孔隙率， 保证碳纤维在铺放过程保持平直， 是获得良好力学性能的关键。 ３ 风力发电机叶片的发展趋势 ３．１ 风力发电机向大功率、长叶片方向发展
ａ １－ ａ
＝
ＢＣ ８πｒ
·Ｃｌｃｏｓφ＋Ｃｄｓｉｎφ ｓｉｎ２φ
ａ ′＝ ＢＣ ·Ｃｌｓｉｎφ－ Ｃｄｃｏｓφ １＋ａ ′ ８πｒ ｓｉｎφｃｏｓφ
考 虑 涡 流 的 影 响 ， 忽 略 翼 型 阻 力 ， 即 Ｄ＝０，
再忽略叶尖损失等因素的影响， 经推导得：
ＢΩ ８πｖ
（ＣＣｌ）＝
４ａ １－
－１ ２ａ
用的是玻璃纤维增强聚酯树脂叶片、玻璃纤维
增强环氧树脂叶片和碳纤维增强环氧树脂叶
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农村牧区机械化 ２００６ 年第 ４ 期（ 总第 ６９ 期）
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片。从性能来讲碳纤维增强环氧树脂最好， 玻璃 纤维增强环氧树脂次之。
在玻璃钢叶片的结构形式中叶片剖面及根 端的构造设计最为重要。选择叶剖面及根端形 式， 要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及 成型工艺。风力机叶片要承受较大的载荷， 通常 要考虑 ５０～６０ｍ／ｓ 的极端风载。为提高叶片的强 度和刚度， 防止局部失稳， 玻璃钢叶片大都采用 主梁加气动外壳的结构形式。
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风力发电机叶片技术的发展概况与趋势
盖晓玲 田德 王海宽 韩巧丽 徐丽娜 王利俊 （ 内蒙古农业大学机电工程学院 ０１００１８）
［ 摘 要］ 通过对风力发电机叶片的技术的 Ｇｌａｕｅｒｔ 理论的假设条件， 涡流系统和公式的推导过程 的分析， 并结合当前风力发电机叶片的结构形式、材料选择、翼型的改进、加工工艺和风力发电机叶 片技术的发展概况推测了风力发电机叶片的发展趋势。 ［关键词］： 风力发电机叶片； Ｇｌａｕｅｒｔ 理论； 翼型； 发展趋势
图 ２ 中 ａ 是轴向干涉因子； ａ′是周向干涉因
子。翼型单位长度上的周向力 ＦＱ 产生了有效转 矩， 它位于旋转平面内， 且： ＦＱ＝Ｌｓｉｎφ－ Ｄｃｏｓφ 式中 Ｌ— ——翼型单位长度上的升力值；
Ｄ— ——翼型单位长度的阻力值
同理可得翼型单位长度上的轴向推力， ＦＴ， 它沿自然来流方向在转子方向上产生压力载
荷；
ＦＴ＝Ｌｃｏｓφ＋Ｄｓｉｎφ 有效转矩 ΔＱ 为：
ΔＱ＝
１ ２
ｐＷ２ｒ（Ｃｌｓｉｎφ－ Ｃｄｃｏｓφ）－ ＢＣΔｒ
式中： Ｗ＝ ｕ ； ｓｉｎφ
Ｐ— ——空气密度；
Ｃ— ——叶片剖面的弦长；
Ｂ— ——叶片数
Ｃｌ— ——升
力
系
数
，
Ｌ／
１ ２
Ｐｖ２Ｃ
Ｃｄ— ——阻
力
系
数
，
Ｃｄ＝Ｄ／
１ ２
Ｐｖ２Ｃ
ｖ— ——气流速度。
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值模拟， 并得出了小翼形状和参数对风力机动 力放大的变化规律， 符合风力机理论变化的趋 势。并和实验值进行比较， 发现计算值和实验值 有一定的误差， 但是与实验值的变化趋势相同， 表明小翼对风力机确实起到动力放大的作用。 ２．３ 风力发电机风轮叶片的制造工艺
能 量 输 出 ： ΔＰ ＝ΩδＱ＝ １ ２
ＰＷ２ｒΩ （Ｃｌｓｉｎφ－
Ｃｄｃｏｓφ）ＢＣΔｒ
推力：
ΔＴ＝
１ ２
ＰＷ２（Ｃｌｃｏｓφ－ Ｃｄｓｉｎφ）ＢＣΔｒ
由贝兹理论的推论：
①轴向的风速损失在去流无穷远处是叶轮
平面处的 ２ 倍
②气流在旋转平面处的旋转速度是其最终
旋转速度的一半。、再参照图 ２， 经推导整理， 得：
叶片转动时与空气的摩擦阻力。
２．１ 风力发电机叶轮叶片的结构形式和材料选
择
小型风力发电机叶片的主要结构有： 木制
叶 片 及 布 蒙 皮 叶 片 、钢 梁 玻 璃 纤 维 蒙 皮 叶 片 、铝
合 金 等 弦 长 挤 压 成 型 叶 片 、玻 璃 钢 叶 片 、玻 璃 钢
复合叶片。大型风力发电机叶片目前最普遍采
工 艺 以 使 叶 片 可 靠 的 承 担 风 力 、叶 片 自 重 、离 心
力等给予叶片的各种弯矩、拉力， 而且还要要求
叶片重量轻、结 构 强 度 高 、疲 劳 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。另外叶片表面要光滑以减少
小型风力发电机叶轮叶片的加工工艺以手 工加工为主， 大部分采用木制材料， 外包玻璃纤 维布。大型风力发电机叶轮叶片采用的工艺目 前主要有两种， 开模手工铺层和闭模真空浸透。 用预浸料开模手工铺层工艺是最简单、最原始 的工艺， 不需要昂贵的工装设备， 但效率比较 低， 质量不够稳定， 通常只用于生产叶片长度比 较短和批量比较小的时候。闭模真空浸透技术 被认为效率高、成 本 低 、质 量 好 ， 因 此 为 很 多 生 产单位所采用。采用闭模真空浸透工艺制备风 力发电转子叶片时， 首先把增强材料铺覆在涂 覆硅胶的模具上， 增强材料的外形和铺层数根 据叶片设计规定， 在先进的现代化工厂， 采用专 用的铺层机进行铺层， 然后用真空辅助浸透技 术输入基本树脂， 真空可以保证树脂能很好地 充满到增强材料和模具的每一个角落。真空辅 助浸透技术制备风力发电转子叶片的关键有三： ①优选浸透用的基体树脂。特别要保证树脂的最 佳粘度及其流动特殊性。②模具设计必须合理。特 别对模具上树脂注入孔的位置、流道分布更要注 意， 确保基体树脂能均衡地充满任何一处。③工艺 参数要最佳化。真空辅助浸透技术的工艺参数要 事先进行实验研究， 保证达到最佳化。
·!（１－
ａ ）（１－
３ａ ）
２ 风力发电机叶轮叶片的结构、材料和制造工艺
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风力发电机的风轮叶片是接受风能的主要
部件。叶片的设计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
片扭角。由于叶片直接迎风获得风能， 所以还要
求叶片具有合理的结构、优质的材料和先进的
图 ３ 叶剖面结构
对于叶片的材料， 随着其叶片的大型化， 由 最初的木质品逐步过渡到玻璃钢， 而今采用碳 纤维复合材料（ ＣＦＲＰ） 的超大型叶片的发电机组 正在蓬勃兴起。叶片材料的开发， 主要朝大型化 和轻量化的方向发展， 一般较小型的叶片 （如 ２２ｍ 以 下） 选 用 量 大 价 廉 的 Ｅ－ 玻 纤 增 强 塑 料 （ ＧＦＲＰ） ， 树 脂 基 体 以 不 饱 和 的 聚 酯 为 主 ， 也 可 选用乙烯酯或环氧树脂， 而较大型的叶片 （ 如 ４２ｍ 以上） 一般采用 ＣＦＲＰ 或 ＣＦ 与 ＧＦ 的混杂 复合材料， 树脂基体以环氧树脂为主。 ２．２ 风力发电机风轮叶片翼型的发展