大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

　　1前言

　　能源是人類社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的原動(dòng)力。目前以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)，不僅資源難以支撐，而且對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題，特別是溫室氣體排放造成全球氣候變化將帶來(lái)一系列生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題。解決這一難題的出路在于開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源。目前在可再生能源中，除水電以外，風(fēng)電最具有商業(yè)開(kāi)發(fā)條件。風(fēng)能作為環(huán)境友好型的可再生能源，它的開(kāi)發(fā)和利用不僅可以緩解世界能源危機(jī)，而且還具有常規(guī)化石能源不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如可持續(xù)開(kāi)發(fā)，不存在資源枯竭問(wèn)題，不排放二氧化碳等溫室氣體和其他有害物質(zhì)等。地球上風(fēng)能資源非常豐富，據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，全球的風(fēng)能儲(chǔ)量約為2.74×109MW，其中可經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能為2×107MW，比可開(kāi)發(fā)利用的水電總量還要大10倍。隨著常規(guī)化石能源的枯竭和生態(tài)環(huán)境的惡化，以風(fēng)電為代表的可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用受到各國(guó)政府的重視，經(jīng)過(guò)最近二十多年的發(fā)展，尤其是近幾年，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)日益成為一個(gè)迅速增長(zhǎng)的新興產(chǎn)業(yè)。在過(guò)去十年中，全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)以每年30%左右的速度快速增長(zhǎng)，且這種趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。截止2006年底，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量已超過(guò)74GW。

　　全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了風(fēng)電機(jī)組及其上游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，其中葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其性能好壞直接影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率和機(jī)組所受載荷，在很大程度上決定了機(jī)組的整體性能和風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，葉片也是風(fēng)機(jī)的核心部件，其成本約為風(fēng)電機(jī)組總成本的20%［1］。因此，世界各大主要風(fēng)機(jī)制造商都非常重視葉片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并盡可能保持獨(dú)立的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。

　　2風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)

　　風(fēng)輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)要滿足一定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，其中有些甚至是相互矛盾的［1，2］年輸出功率最大化；最大功率限制輸出；振動(dòng)最小化和避免出現(xiàn)共振；材料消耗最小化；保證葉片結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定性；葉片結(jié)構(gòu)滿足適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度要求和剛度要求。

　　葉片設(shè)計(jì)可分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這兩個(gè)大的階段，其中氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求滿足前兩條目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿足后四條目標(biāo)。通常這兩個(gè)階段不是獨(dú)立進(jìn)行的，而是一個(gè)迭代的過(guò)程，葉片厚度必須足夠以保證能夠容納腹板，提高葉片剛度。

　　2.1外形設(shè)計(jì)

　　葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是外形優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是葉片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中葉片翼型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，流動(dòng)的雷諾數(shù)比較低，葉片通常在低速、高升力系數(shù)狀態(tài)下運(yùn)行，葉片之間流動(dòng)干擾造成流動(dòng)非常復(fù)雜。針對(duì)葉片外形的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構(gòu)成，葉片葉型的設(shè)計(jì)變得非常重要。目前葉片葉型的設(shè)計(jì)技術(shù)通常采用航空上先進(jìn)的飛機(jī)機(jī)翼翼型設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)葉片葉型的形狀。先進(jìn)的CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于不同類型氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)，對(duì)于低雷諾數(shù)、高升力系數(shù)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件，采用考慮粘性的N-S控制方程分析葉片葉型的流場(chǎng)是非常必要的。