1 引 言
目前風(fēng)能仍然是增長(zhǎng)最快的能源。在近5年中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率大于35%。據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)資料，截至2003年底，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為39151.3MW，比上年增長(zhǎng)了22%，2003年度新增容量為7981MW。5個(gè)主要風(fēng)電市場(chǎng)裝機(jī)占全世界新增容量的80%。其中德國(guó)新增裝機(jī)2608MW，美國(guó)新增裝機(jī)1685MW，西班牙新增裝機(jī)1372MW，印度新增裝機(jī)408MW，后起之秀奧地利新增276MW(200%的增長(zhǎng)率)。預(yù)計(jì)到2008年，全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到100000MW。2020年風(fēng)力發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的11.81%。
隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)末，風(fēng)電機(jī)組主力機(jī)型是750kW。到2002年前后，主力機(jī)型已經(jīng)達(dá)到1.5MW以上。1997年兆瓦級(jí)機(jī)組占當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量的9.7%，而2001年和2003年分別占到52.3%和71.4%。海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)要求單機(jī)容量更大的機(jī)組，，歐洲已批量安裝3.6MW機(jī)組，5MW機(jī)組也已安裝運(yùn)行。
葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，葉片更是技術(shù)關(guān)鍵。如1.5MW主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)34～37m，每片重6t，設(shè)計(jì)制造難度很高。在國(guó)外葉片集中在幾家專業(yè)公司生產(chǎn)。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，是世界上唯一一家全球葉片生產(chǎn)商。目前在全世界正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片中1/3以上都是LM的產(chǎn)品。至2000年LM已生產(chǎn)6萬(wàn)片葉片，當(dāng)年生產(chǎn)7200片葉片，占居世界市場(chǎng)的45%，近來(lái)一些著名的風(fēng)力機(jī)制造商也開(kāi)始自己生產(chǎn)葉片。
我國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源有10億kW。其中陸地2.5億kW，現(xiàn)在僅開(kāi)發(fā)了不到0.2%；近海地區(qū)有7.5億kW，風(fēng)能資源十分豐富。風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區(qū)及東南沿海地區(qū)。三北地區(qū)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)力資源有2億kW，占全國(guó)陸地可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的79%。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，到2005年全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量為100萬(wàn)kW，2010年400萬(wàn)kW，2015年1000萬(wàn)kW，2020年2000萬(wàn)kW。2020年以后石化燃料資源減少，火電成本增加，風(fēng)電具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，發(fā)展更快。2030年后水能資源基本開(kāi)發(fā)完畢，海上風(fēng)電將進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)期。我國(guó)在風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面與國(guó)外有一定的差距。為使復(fù)合材料葉片能國(guó)產(chǎn)化，政府有關(guān)部門很重視葉片的研發(fā)，把葉片列入攻關(guān)項(xiàng)目予以支持所研發(fā)的200～750kW系列風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片已形成批量生產(chǎn)，兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)正在開(kāi)發(fā)中，尚不具備規(guī)?；a(chǎn)能力。
2 大型風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料葉片技術(shù)
2.1 材 料
目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料(GRP)。長(zhǎng)度大于40m葉片可以采用碳/玻混雜復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格，未能推廣應(yīng)用。GRP葉片有以下特點(diǎn)：
?、倏筛鶕?jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度風(fēng)力機(jī)葉片主要是縱向受力，即氣動(dòng)彎曲和離心力，氣動(dòng)彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕 葉片的重量。
?、谝硇腿菀壮尚?，并達(dá)到最大氣動(dòng)效率。為了達(dá)到最佳氣動(dòng)效果，葉片具有復(fù)雜的氣動(dòng)外形。在風(fēng)輪的不同半徑處，葉片的弦長(zhǎng)、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
?、廴~片使用20a，要經(jīng)受108次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強(qiáng)度較高，缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料。
?、蹽RP耐腐蝕性好。風(fēng)力機(jī)安裝在戶外，近年來(lái)又大力發(fā)展離岸風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力機(jī)安裝在海上，風(fēng)力機(jī)組及葉片要受到各種氣候環(huán)境的影響。它應(yīng)具有耐酸、堿、水汽的性能。
2.2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)
風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。19世紀(jì)20年代一些著名氣動(dòng)學(xué)家對(duì)機(jī)翼理論做出了貢獻(xiàn)。Betz、Glauert、Wilson等在此基礎(chǔ)上發(fā)展了風(fēng)輪氣動(dòng)理論。我國(guó)的氣動(dòng)學(xué)家對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)理論也做出過(guò)貢獻(xiàn)。
Betz采用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量定理，研究理論狀態(tài)下風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)。理論假定，風(fēng)輪沒(méi)有錐角;風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力;風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為一元流管;風(fēng)輪前后氣流靜壓相等;作用在風(fēng)輪上推力均勻。應(yīng)用動(dòng)量方程，Betz推導(dǎo)出風(fēng)能利用系數(shù)：
Cpmax=16/27≈0.593
這就是著名的Betz極限。葉片的外形設(shè)計(jì)包括決定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、葉片剖面弦長(zhǎng)、厚度、扭角及選取葉片剖面的翼型。運(yùn)用Betz理論可建立簡(jiǎn)易葉片外形設(shè)計(jì)方法，但目前不常用。Glauert優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是考慮了風(fēng)輪尾流的葉素理論。但該方法忽略了翼型阻力和葉尖損失的影響。這兩點(diǎn)對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)影響較小，但對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能影響較大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理論設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求應(yīng)進(jìn)行修正和氣動(dòng)性能的計(jì)算，以達(dá)到優(yōu)化。Wilson氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論是目前常用的方法。該理論對(duì)Glauert設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)。研究了葉尖損失和升阻比對(duì)葉片性能的影響以及風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的氣動(dòng)性能。為使風(fēng)輪Cp值最大，須使每個(gè)葉素dCP值最大。理論建立了dCP與氣動(dòng)參數(shù)的關(guān)系式，從而得到最佳氣動(dòng)參數(shù)和氣動(dòng)外形。確定氣動(dòng)外形后計(jì)算氣動(dòng)性能，主要包括軸向推力、轉(zhuǎn)矩、功率及相對(duì)應(yīng)的系數(shù)。上述氣動(dòng)理論有其局限性，理論設(shè)計(jì)須結(jié)合風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證更精確的理論應(yīng)考慮3D效應(yīng)及動(dòng)態(tài)失速影響。
目前風(fēng)能仍然是增長(zhǎng)最快的能源。在近5年中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量年平均增長(zhǎng)率大于35%。據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)資料，截至2003年底，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為39151.3MW，比上年增長(zhǎng)了22%，2003年度新增容量為7981MW。5個(gè)主要風(fēng)電市場(chǎng)裝機(jī)占全世界新增容量的80%。其中德國(guó)新增裝機(jī)2608MW，美國(guó)新增裝機(jī)1685MW，西班牙新增裝機(jī)1372MW，印度新增裝機(jī)408MW，后起之秀奧地利新增276MW(200%的增長(zhǎng)率)。預(yù)計(jì)到2008年，全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到100000MW。2020年風(fēng)力發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的11.81%。
隨著現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì)末，風(fēng)電機(jī)組主力機(jī)型是750kW。到2002年前后，主力機(jī)型已經(jīng)達(dá)到1.5MW以上。1997年兆瓦級(jí)機(jī)組占當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量的9.7%，而2001年和2003年分別占到52.3%和71.4%。海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)要求單機(jī)容量更大的機(jī)組，，歐洲已批量安裝3.6MW機(jī)組，5MW機(jī)組也已安裝運(yùn)行。
葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，涉及氣動(dòng)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、工藝等領(lǐng)域。在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中，葉片更是技術(shù)關(guān)鍵。如1.5MW主力機(jī)型風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)34～37m，每片重6t，設(shè)計(jì)制造難度很高。在國(guó)外葉片集中在幾家專業(yè)公司生產(chǎn)。最著名的葉片公司是丹麥的LM公司，是世界上唯一一家全球葉片生產(chǎn)商。目前在全世界正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片中1/3以上都是LM的產(chǎn)品。至2000年LM已生產(chǎn)6萬(wàn)片葉片，當(dāng)年生產(chǎn)7200片葉片，占居世界市場(chǎng)的45%，近來(lái)一些著名的風(fēng)力機(jī)制造商也開(kāi)始自己生產(chǎn)葉片。
我國(guó)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源有10億kW。其中陸地2.5億kW，現(xiàn)在僅開(kāi)發(fā)了不到0.2%；近海地區(qū)有7.5億kW，風(fēng)能資源十分豐富。風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區(qū)及東南沿海地區(qū)。三北地區(qū)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)力資源有2億kW，占全國(guó)陸地可開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的79%。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，到2005年全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量為100萬(wàn)kW，2010年400萬(wàn)kW，2015年1000萬(wàn)kW，2020年2000萬(wàn)kW。2020年以后石化燃料資源減少，火電成本增加，風(fēng)電具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，發(fā)展更快。2030年后水能資源基本開(kāi)發(fā)完畢，海上風(fēng)電將進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)期。我國(guó)在風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面與國(guó)外有一定的差距。為使復(fù)合材料葉片能國(guó)產(chǎn)化，政府有關(guān)部門很重視葉片的研發(fā)，把葉片列入攻關(guān)項(xiàng)目予以支持所研發(fā)的200～750kW系列風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片已形成批量生產(chǎn)，兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)正在開(kāi)發(fā)中，尚不具備規(guī)?；a(chǎn)能力。
2 大型風(fēng)力機(jī)的復(fù)合材料葉片技術(shù)
2.1 材 料
目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料(GRP)。長(zhǎng)度大于40m葉片可以采用碳/玻混雜復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格，未能推廣應(yīng)用。GRP葉片有以下特點(diǎn)：
?、倏筛鶕?jù)風(fēng)力機(jī)葉片的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度風(fēng)力機(jī)葉片主要是縱向受力，即氣動(dòng)彎曲和離心力，氣動(dòng)彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕 葉片的重量。
?、谝硇腿菀壮尚?，并達(dá)到最大氣動(dòng)效率。為了達(dá)到最佳氣動(dòng)效果，葉片具有復(fù)雜的氣動(dòng)外形。在風(fēng)輪的不同半徑處，葉片的弦長(zhǎng)、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
?、廴~片使用20a，要經(jīng)受108次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強(qiáng)度較高，缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料。
?、蹽RP耐腐蝕性好。風(fēng)力機(jī)安裝在戶外，近年來(lái)又大力發(fā)展離岸風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)力機(jī)安裝在海上，風(fēng)力機(jī)組及葉片要受到各種氣候環(huán)境的影響。它應(yīng)具有耐酸、堿、水汽的性能。
2.2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)
風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)理論是在機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。19世紀(jì)20年代一些著名氣動(dòng)學(xué)家對(duì)機(jī)翼理論做出了貢獻(xiàn)。Betz、Glauert、Wilson等在此基礎(chǔ)上發(fā)展了風(fēng)輪氣動(dòng)理論。我國(guó)的氣動(dòng)學(xué)家對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)理論也做出過(guò)貢獻(xiàn)。
Betz采用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量定理，研究理論狀態(tài)下風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)。理論假定，風(fēng)輪沒(méi)有錐角;風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有摩擦阻力;風(fēng)輪流動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為一元流管;風(fēng)輪前后氣流靜壓相等;作用在風(fēng)輪上推力均勻。應(yīng)用動(dòng)量方程，Betz推導(dǎo)出風(fēng)能利用系數(shù)：
Cpmax=16/27≈0.593
這就是著名的Betz極限。葉片的外形設(shè)計(jì)包括決定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、葉片剖面弦長(zhǎng)、厚度、扭角及選取葉片剖面的翼型。運(yùn)用Betz理論可建立簡(jiǎn)易葉片外形設(shè)計(jì)方法，但目前不常用。Glauert優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是考慮了風(fēng)輪尾流的葉素理論。但該方法忽略了翼型阻力和葉尖損失的影響。這兩點(diǎn)對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)影響較小，但對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能影響較大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理論設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求應(yīng)進(jìn)行修正和氣動(dòng)性能的計(jì)算，以達(dá)到優(yōu)化。Wilson氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論是目前常用的方法。該理論對(duì)Glauert設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)。研究了葉尖損失和升阻比對(duì)葉片性能的影響以及風(fēng)輪在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的氣動(dòng)性能。為使風(fēng)輪Cp值最大，須使每個(gè)葉素dCP值最大。理論建立了dCP與氣動(dòng)參數(shù)的關(guān)系式，從而得到最佳氣動(dòng)參數(shù)和氣動(dòng)外形。確定氣動(dòng)外形后計(jì)算氣動(dòng)性能，主要包括軸向推力、轉(zhuǎn)矩、功率及相對(duì)應(yīng)的系數(shù)。上述氣動(dòng)理論有其局限性，理論設(shè)計(jì)須結(jié)合風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證更精確的理論應(yīng)考慮3D效應(yīng)及動(dòng)態(tài)失速影響。
