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复合材料风机叶片设计的现状与未来
 
发布日期: 2019-12-17  
  早在1920年,德国的物理学家Albert Betz 就对风力发电叶片进行过详细的计算。基于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识,Betz 在叶片计算时采用了一些假设条件。随着计算机技术发展,计算手段的显著提高,风力发电技术的快速发展,人们对风力发电叶片的认识和理解也在逐渐深入。尤其是近十年来,经过研究人员对风力发电叶片进行的多次现场载荷、声音和动力测量以后,发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大的偏离。这可能是由于过多的相信了风洞实验,而对叶片服役期间可能遇到的较强动态环境和湍流条件考虑不足造成的。因此,一些相关人员对当时的叶片计算采用假设条件提出了质疑。
 
流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确的模拟叶片实际的受力状态。在此基础上,进一步改善叶片的空气动力学特征,即使叶片在旋转速度降低5%的情况下,捕风能力仍可以提高5%;随着叶片旋转速度的降低,叶片运行的噪音大约可以降低3dB。同时,较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低,旋转直径可以相应的增加。在此项研究的基础上,德国的Enercon 公司将风力发电机的旋转直径由30米增加到33米,复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加,叶片转动时扫过的面积增大,捕风能力大约提高25%。
 
Enercon 公司还对33米叶片进行了空气动力实验,经过精确的测定,叶片的实际气动效率为56%,比按照Betz 计算的最大气动效率低约3~4个百分点。为此,该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进:包括为了抑制生成扰流和旋涡,在叶片端部安装“小翼”;为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力,对叶片根茎进行重新改进,缩小叶片的外形截面,增加叶径长度;对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上,Enercon 公司开发出旋转直径71米的2MW 风力发电机组,改进后叶片根部的捕风能力得异提高。
 
Enercon 公司在4.5MW风力发电机设计中继续采用此项技术,旋转直径为112米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼”,使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66米)运行使产生的噪音。
 
丹麦的LM公司在61.5米复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进,尤其是固定螺栓与螺栓空周围区域。这样,在保持现有根部直径的情况下,能够支撑的叶片长度可比改进前增加20%。另外,LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。
 
随着计算机技术和控制技术的进步,近年来,大型复合材料的叶片也向着智能化发展。在最新一代的Enercon 叶片中开始采用叶片自动监测和控制系统,监测系统能够将叶片运行状态下的数百个电子信息自动的传递给叶片的控制系统,计算机管理系统每个月都会报告叶片的运行情况、早期损伤情况,以利于使用者能够对损伤叶片进行及时的修补。
 
LM公司将光纤控制技术用于制造智能复合材料叶片。在大型叶片制造中,尤其是近海风场用的大型风力发电机,由于风场的气候条件恶劣,监测和维护困难,对外界温度、叶片裂纹、雷击等对叶片损伤的早期预警显得十分重要。为了能够实现对复合材料叶片的实时监控,LM公司将光纤监控技术用于复合材料叶片的制造,开发出具有智能功能的复合材料叶片。
 
在制造大型复合材料叶片时,LM公司将光纤传感器埋设和固定于复合材料内部。当这种智能复合材料叶片工作时,光纤传感器就会将叶片工作时的状态实时反映给数据采集和处理系统,相关数据经过处理后,将其反馈给风力发电机的控制系统。一旦叶片所承受外界载荷(温度、风速、风载等)超过设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击等可能对叶片造成损伤时,叶片的监控系统就会发出早期预警信号,此时才需要对叶片进行必要的保养和维护工作,可以大大降低叶片的日常维护费用。目前,这项工作正在模拟的外界环境中进行20年服役期的可靠性加速实验。LM公司目前也将此系统安装在40米的叶片上进行实验,不久将在61.5米的叶片上进行试验。
 
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