2018年 08月

用于2MW级风力发电叶片的设计及设计评价

2018年 8月 16日

Lee Sang-lae (Senior Surveyor, Future Technology Research Team)

1. 用于风力发电的叶片一般事项

风力发电机是通过风的运动能源，使叶片旋转转变成机械能，即通过发电机转化为电能。风力发电机的设计中叶片是核心组成部分，并且还是发生荷重的主要构成品。所以叶片的设计及制作是构成风力发电的效率及经济性的重要决定要素。

在设计风力发电叶片时，需考虑输出及效率、tip-tower的间距、极寒及疲劳限度状态、屈曲稳定性、运送、制造及能源产生阶段（COE, cost of energy）等相互作用的综合性问题，所以空气动力设计与构造设计不能独立去完成，需考虑整体系统的特性，通过反复进行整体荷重解析找到最适合的叶片设计结果。

一般在空气动力设计的观点来说，需考虑目标输出及效率、年度能源产量（AEP，annual energy production）、轴荷重及噪音等的设计，弦长（chord length）越长，机翼越薄，设计出性能优秀的叶片空气动力设计的可能性越大。但此类的设计可能会造成荷重、制作费用、总质量、发生移送等问题，会忽略构造设计和权衡关系（trade-offs）。

【叶片长度与重量分布及使用材料关系】

2. 叶片设计的流程

决定叶片设计的样式后，空气动力设计部门将选定机翼的候补，通过试验或数值对比来确保机翼的性能数据，进行基本空气动力设计及性能解析。基本空气动力设计一般根据BEM进行，根据输出、效率、荷重等评价结果来进行设计优化调整。

设计优化调整过程中，设计条件满足时，最终的空气动力设计信息将向构造设计部门转达，构造设计部门考虑到材料及制造工程等问题，选定设计类型后进行内部构造物及叠加模式设计完成叶片的构造设计后，根据国际标准或工业指南进行构造健全性评估，验证设计的有效性，这时候对设计寿命期间作用于叶片的极寒及疲劳荷重有要求。

为了得出初期构造设计后荷重解析时必要的叶片的局部断片的质量及刚性分布，要求等价梁型号。荷重解析部门参考适用的标准，定义赊借荷重外壳后，通过气动弹性的解析，分析出极寒及疲劳荷重解析结果。最后构造设计部门通过有限要素分析，得出 tip-tower的间距、极寒限度状态、疲劳限度状态及构造安全性等解析结果。之后解析结果都满足判定标准时，叶片的设计结束，如不满足时再次进行设计。

【空气动力设计结束后的叶片】

3. 空气动力设计

通过空气动力设计，能够决定可满足额定风力下的目标输出与效率的叶片长度、局部断面的机翼系列排布、代码长度与偏斜角度等。空气动力的设计是由基本空气动力设计开始的，计算Root到Tip设计者提前决定的2次元局部断面的代码长度及偏斜角度来计算。代码长度与偏斜角度根据以下（1）~（4）的计算式来计算，其结果与下方的曲线相同。

【Chord Length分布】【Twist angle分布】

4. 构造设计

本研究中，2MW的额定输出、IEC风力等级IIa、长度40.1m的设计样式的叶片为设计目标而设计。使用的材料有单方向2轴及3轴玻璃纤维、收支亲和力较高的PVC。为了能够更加顺利的进行叶片的构造设计而使用的主要材料与共11个细部分组来进行设计。

ㆍ Pressure side spar cap
ㆍ Suction side spar cap
ㆍ First & second shear web
ㆍ Trailing edge
ㆍ Blade root
ㆍ Extra root (共11个part)

【主要部分的重量比率及设计变更的重量增加率】

另外，为了能够最优化的进行叶片的构造设计，对叶片的主要构成品spar cap的厚度与分布采用了最适设计接近法。本研究是将设计条件与用量完全不同的叶片spar cap，但厚度比率相似，安装后通过预测spar cap厚度比率的趋势线来提交更加效率的初期截面设计的方法。初期界面设计时，可减少计算次数的同时减少优化设计的开发时间。

如图所示，为了预测初期界面设计的趋势线，调查了TPI、LM windpower、NREL等其他叶片spar cap的厚度比率，得出6次curve ftting函数。用次函数可再次计算叶片的spar cap厚度比率与单方向纤维的单位厚度的最终需要的界面数。

为了进行极寒强度评估，通过荷重计算导出荷重计算值与表现出叶片长度方向，可选定荷重分布的4中荷重条件（最大面内方向、最小面内方向、最大面外方向、最小面外方向）。之后，通过对适用各个荷重条件的极寒与疲劳强度解析、安全性解析、modal解析、tip变型量解析等来评价叶片的构造健全性，其结果如图所示。

【叶片设计评价结果整理】

5. 结论

通过数次的反复构造设计，最终完成了叶片的构造设计。构造设计过程中，通过构造解析结果的分析与叶片特性值的比较得出最适合的spar cap及form厚度。与此同时确认了叶片的最大变型与tower的安全性，考虑到复合材料的叶片特性，进行了laminate破损评估、屈曲安全性评评估、sandwich构造物评估、bolt连接部评估、疲劳寿命评估等多样的评估。

通过本次研究，KR完成了固有的叶片型号开发，希望运用本次研究的技术，进行多样的追加研究及叶片设计评价等开展相应内容。

【设计结束后的2MW风力涡轮叶片】

KR Webzine Vol.113