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1、600kw风力发电机组风轮叶片设计方法1、概述2、设计部分风力发电机组， 实质上是一个风能转换系统， 首先由风轮叶片将捕捉的风能 转换为风轮的旋转机械能， 然后由风轮驱动发电机发电。 它涉及空气动力学、 结 构力学、结构动力学、复合材料结构力学、 机械振动、复合材料工艺、疲劳强度、 防雷击保护和防腐蚀保护等许多领域；风力发电机组性能、载荷、振动、稳定性 等很大程度上取决于风轮叶片。 因此，风轮叶片是风力发电机组的核心部件， 是 高科技产品。大型风力发电机组属于高科技产品， 制造难度较大； 长期以来， 我国风电场 使用的大型风力发电机组几乎全部依靠进口， 每年耗费大量外汇。 为此，国家制 订了一
2、系列攻关计划， 对大型风力发电机组的总体和关键部件进行攻关， 以促进 风电事业的产业化。大型风力发电机组风轮叶片技术难度大，国外只有少数国家能够设计和制 造，国内尚属空白，技术垄断性很强。600kW 叶片设计指导思想，以固有频率为目标，质量、刚度分布为约束， 进行叶片结构铺层优化设计， 最后进行叶片静强度和叶片疲劳强度校核分析。 即 叶片的主要设计目标为刚度分布， 在满足刚度要求的前提下， 对叶片的静强度和 疲劳强度进行分析校核。翼型选择：选用 NACA70 年代公布的 NACA63xxx 系列层流翼型翼型升阻比高翼型失速特性好翼型对表面污物不敏感经过实际使用证明气动性能优化：在确定翼型的情况
3、下，对叶片的几何外形进行优化； 确定叶片最佳弦长、扭角和相对厚度分布；适合于中国风电场的实际风况最佳的能量输出600kW 风力发电机组风轮叶片开发是在德国劳埃德 (Lloyd) 船级社风力发 电机组认证规范、国际电工委员会 IEC 61400-1风力发电机组 安全要求、 丹麦 Ris? 国家实验室提供的丹麦标准 DS 472 及其认证要求、荷兰标准 NEN 6096、我国机械行业标准 JB/T 101942000风力发电机组风轮叶片以及国外 叶片制造商能提供的有限技术信息基础上完成的。在此基础上，对 600kW 叶片气动外形进行了优化设计。优化设计以风轮的 风能利用系数Cp为目标，以年发电量为
4、约束条件，对叶片的翼型、弦长、扭角、 相对厚度等参数进行优化。优化后的风轮风能利用系数达到 0.44 以上。同时， 采用中国直升机研究所的翼型工程数据库，并请中国直升机研究所对 600kW 叶 片的优化外形进行了校核。通过首台样机在新疆达坂城风电场的实际运行考核， 证明叶片的气动设计达到设计任务要求。叶片结构：利用 Nastran 软件对叶片的铺层进行仿真分析计算叶片的固有频率和振型 叶片动力学特性分析，完成共振图 叶片静强度分析、寿命评估。开发附加结构阻尼器，有效地降低了叶片在低温环境下的振动。 叶片附加结构阻尼器结构和位置均经北航振动力学实验室试验验证。600kW 叶片结构铺层设计是我公司
5、独立开发的、叶片结构铺层优化设计以 叶片重量为目标， 以叶片重心、 叶片一阶固有频率为约束条件， 对叶片结构的铺 层厚度和材料进行了优化。在叶片的结构铺层设计和强度分析过程中， 与中国船级社科研中心合作， 首 次采用美国 MSC 公司的大型结构仿真分析软件PATRAN、 NASTRAN 及MSC/PATRAN LAMINATE MODELER 复合材料结构建模、分析软件对 600kW 叶片的铺层设计、强度、质量、刚度和固有频率等进行了计算机仿真分析，证明 叶片的设计是成功的。对于定桨距风轮叶片， 在风速超过额定风速后， 利用翼型的失速特性， 控制 风轮叶片的功率输出， 叶片失速后其气动阻尼下降
6、。 另外， 玻璃纤维复合材料结 构叶片，在低于-20C环境温度条件下，其结构阻尼也会下降。在低于-20 r环境温度下，在超过额定风速的某个特定运行条件下，由于复 合材料叶片结构阻尼下降， 运行中的叶片就会发生摆振方向瞬间抖动现象， 机组 的振动幅度超过振动传感器的限制值， 安全系统紧急停机， 带来发电损失。 而我 国东北、华北和西北的大部分风电场每年低于 -20 r天数较多。我们分析振动产生的原因是因为摆振方向的阻尼（空气阻尼和结构阻尼之 和）变成负值，若空气阻尼负值比结构阻尼值大就具备摆振方向振动的条件。复合材料结构在低温（-20r）条件下，其结构阻尼会下降，为克服结构阻 尼下降，应采用相应
7、阻尼橡胶材料构成的结构阻尼器， 使结构阻尼值在低温下仍 大于气动负阻尼值。针对这种情况，我们开发了一种结构阻尼器，这种结构阻尼器有较多优点， 当低温时（-20r）,复合材料结构叶片自身阻尼降低，而结构阻尼器使其结构阻 尼增加。当温度高时， 结构阻尼器橡胶材料阻尼效果下降， 而叶片本身的阻尼增 加，这样，叶片在整个运行范围内所有温度都具有足够阻尼，避免振动出现。另外，结构阻尼器对所有的振动频率均有效。叶片耐环境设计针对我国风电场的实际环境情况， 600kW 叶片采用了耐环境设计，对复合 材料构件、 金属结构件等充分考虑了低温的影响， 使叶片的最低运行温度可达到-40 C。叶尖设计：优化叶尖气动外
8、形 采用螺旋桨叶片叶尖技术、有效降低叶片气动噪声。 失效安全型叶尖结构设计，增加叶片安全环节。按 IEC 61400-24标准设计有防雷击系统，提高了叶片的环境适应能力叶片材料及外购件： 采用高性能基体树脂体系，提高 GRP 层板性能。 采用直升机结构胶配方，-40 C时剪切性能不变。 采用不锈钢和航空结构钢，提高材料的耐环境能力。 表面胶衣有效提高叶片的耐环境和老化能力 标准件按高标准采购，国际采购， ISO 或 DIN 标准 液压系统密封件同时考虑高、低温环境条件要求。叶片工艺和质量： 采用“镜面模具”技术，提高产品表面光度， 叶片气动效率高， 大幅度降低叶 片型修工作量。叶片工艺控制技术
9、符合德国劳埃德规范，产品质量稳定。先进的螺旋桨平衡技术，产品配套精度高。 （叶片重量互差 2kg ） 严格执行 ISO 9001 质量管理体系。在 600kW 叶片研制过程中，工艺方面进行了大胆的尝试和探索。在叶片关 键部件成型中， 首次采用了抽真空成型技术， 不但加快了产品的制造进度， 而且 提高了产品的质量。模具是叶片制造的关键设备， 对产品的最终质量起决定性作用。 在模具制造 上，借鉴了国外复合材料赛艇模具制造技术， 成功地研制了镜面模具， 提高了成型叶片的表面光洁度，降低了制造工人的劳动强度为了提高叶片的制造质量， 购置了先进的胶衣喷涂机和树脂混合机， 为研制 高质量的叶片提供了有力保
10、障。 树脂混合机保证了基体树脂的准确配合及均匀涂 覆，降低了工人的劳动强度，提高了基体树脂的调配质量。在整个制造过程中，除了严格执行 ISO9001 标准外，首次引入了德国劳埃 德船级社对复合材料制品的控制制度， 严格按劳氏规范控制每一道工序， 并制定 了独特的平衡控制和调整技术，使成型后的叶片质量互差小，配套方便。叶片试验：航空螺旋桨叶片试验技术试验标准执行 IEC 61400-23大型风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验 固有频率测试，刚度测试。按劳埃德规范提供的载荷谱，进行了 20 年叶片疲劳寿命试验。疲劳试验是叶片研制过程中的系列试验中最重要的一项， 它是检验设计、 工 艺、制造水平，
11、确定叶片设计使用寿命的主要方法。 重点是疲劳试验技术和疲劳 载荷谱的确定。我公司把航空产品的疲劳试验技术成功地应用在叶片的疲劳试验上， 并首次 利用德国劳埃德船级社风力发电机组认证规范提供的疲劳载荷谱，确定了 600kW 叶片的疲劳试验载荷谱。对样件进行了疲劳试验，计算寿命已达20年。3、叶片国产化的意义600kW 风轮叶片的研制填补了国内风电机组叶片产品的空白，对环境保护 和利用再生能源起到积极的促进作用。 在经济方面风电产品实现国产化后， 迫使 国外厂商进口产品价格下降， 为国家创造了可观的经济和社会效益。 如：我公司 未开发 600kW 叶片前， 1台 600kW 叶片进口价格约为 12
12、0万人民币，当国产叶 片出现并被风电场运行证实可靠时， 国外进口产品价格几乎下降一半； 采用国产 化叶片，可使整个机组国产化率提高到 90%以上，机组价格将比国外产品至少降 -5-低30%，如果按国家“十五”发展计划，中国五年计划的后 23年，风电市 场需采购的 1000 台份 600kW 叶片全部采用国产化叶片，即可为国家节省外汇 7 亿元左右。从长远来看， 风力发电产业前景十分广阔， 风力发电与火力发电、 水力发电 相比，具有资源取之不尽、用之不竭，减少污染、保护生态环境等不可替代的优 势。据国际电力资料介绍：风电与火电相比，每台 600kW 风电机组，一般一年 可发120万度电，这样可节省煤480t,减少排放各种气体：CO2气体204 t、SO2 气体9.6 t、烟尘7.2 t、灰渣120 t，因此风力发电不但缓解了经济发展与能源短 缺的矛盾，符合中央提出的“走可持续发展道路”的方针政策，而且改善了我国 的能源结构，改善了自然环境，为人类进一步探索新能源起了科技示范带头作用。