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

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1、復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與未來(lái)在1920年，德國(guó)的物理學(xué)家AlbertBetz就對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的計(jì)算?；诋?dāng)時(shí)的計(jì)算條件和對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)，Betz在葉片計(jì)算時(shí)采用了一些假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)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(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來(lái)，經(jīng)過(guò)研究人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場(chǎng)載荷、聲音和動(dòng)力測(cè)量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過(guò)多的相信了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而對(duì)葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和

2、湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對(duì)當(dāng)時(shí)的葉片計(jì)算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動(dòng)力學(xué)計(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國(guó)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。

3、由于葉片長(zhǎng)度的增加，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掃過(guò)的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。Enercon公司還對(duì)33米葉片進(jìn)行了空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)精確的測(cè)定，葉片的實(shí)際氣動(dòng)效率為56％，比按照Betz計(jì)算的最大氣動(dòng)效率低約3～4個(gè)百分點(diǎn)。為此，該公司對(duì)大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(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(duì)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(zhǎng)度；對(duì)葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開(kāi)發(fā)出旋轉(zhuǎn)

4、直徑71米的2MW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(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個(gè)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(jì)中對(duì)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。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長(zhǎng)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。

5、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)，大型復(fù)合材料的葉片也向著智能化發(fā)展。在最新一代的Enercon葉片中開(kāi)始采用葉片自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⑷~片運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)百個(gè)電子信息自動(dòng)的傳遞給葉片的控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)每個(gè)月都會(huì)報(bào)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(shí)的修補(bǔ)。LM公司將光纖控制技術(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(chǎng)用的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于風(fēng)場(chǎng)的氣候條件惡劣，監(jiān)測(cè)和維護(hù)困難，對(duì)外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對(duì)葉片損傷的早期預(yù)警顯得十

6、分重要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合材料葉片的實(shí)時(shí)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(kāi)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(shí)，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(shí)，光纖傳感器就會(huì)將葉片工作時(shí)的狀態(tài)實(shí)時(shí)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對(duì)葉片造成損傷時(shí)，葉片的監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出早期預(yù)警信號(hào)，此時(shí)才需要對(duì)葉片進(jìn)行

7、必要的保養(yǎng)和維護(hù)工作，可以大大降低葉片的日常維護(hù)費(fèi)用。目前，這項(xiàng)工作正在模擬的外界環(huán)境中進(jìn)行20年服役期的可靠性加速實(shí)驗(yàn)。LM公司目前也將此系統(tǒng)安裝在40米的葉片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不久將在61.5米的葉片上進(jìn)行試驗(yàn)。