风电叶片结构设计

WEHandbook-3-StructuralDesign风机叶片结构设计如我们在气动部分所提到的，叶片的设计初衷就是获得动力学效率和结构设计的平衡。材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。因此结构设计人员在如何将设计原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色，设计人员必须找出在保证性能与降低成本之间的最优方案。叶片受力分析叶片上承受的推力驱动叶片转动。推力的分布不是均匀的而是与叶片长度成比例分布。叶尖部承受的推力要大于叶根部。如此设计的原因在前文已经提到过。外部的推力除了驱动叶片转动，也会使其产生一定的弯曲。从叶根到叶尖弯曲程度逐渐加大。叶尖处距离支点最远因此变形量最大。叶根承受最大的力矩，在叶尖处力矩为零。力矩和叶片位置关系图因此在叶片设计中，叶根部具有最大的厚度和最高的强度，向叶尖部过渡的过程中厚度逐渐减小。这也符合空气动力学的设计要求：尖部弦长最短，牵引力最为重要因此需要较薄的厚度。此外在强风条件下叶片需要停转进行功率调节，叶尖部较薄的结构更容易停下。叶根部的弦长最大，产生的推力最小，叶壳铺层厚度的增加可以提高推力。但是为了达到需要的强度和模量而设计的铺层厚度已经超过了气动设计所需要的最佳厚度，因此在设计时需要综合考量。WEHandbook-3-StructuralDesign内部梁结构如果叶片内部采取实心结构则厚度的设计就变得非常简单，只需要依据弯曲力矩进行设计即可。但实心结构受力时，叶片向下弯曲时上表面的材料受到拉力，下表面的材料受到压力，中间部分的材料受力较少而没有发挥出最大的作用。因此为了降低生产成本，设计中可以去除一些不必要的材料，所以常见的叶片都采用了中空式设计。还有一种极端的设计方案，就是将叶片分成上下两部分，中间完全不用任何连接。而实际应用中无论从剪切强度和空气动力学设计上考量这种设计都是不可行的。首先从空气动力学角度出发整个叶壳必须是连续的整体。此外从剪切强度出发如果没有任何连接，两部分没有形成一体，使用中会发生相对滑动，也不能承担弯曲载荷，叶片中连接上下梁帽的连接部件称为抗减腹板。这种设计与工字梁的原理相同。叶片的整体结构原理上与工字梁相同，区别只是在于为了形成空气动力学外形在工字梁外面包裹了一层叶壳。主要的弯曲载荷由梁帽承担，叶壳只承担少量弯曲载荷。剪切腹板的连接方式主要有两种：上下两片梁帽加以中间腹板连接，或者是梁帽和腹板做成一体称为盒式大梁，再通过结构胶与叶壳粘接。铺层取向现代的风机叶片主要采用玻璃钢材料生产，玻璃钢与木材和金属相比具有更高的比强度，尤其适用于制造像风机叶片之类的大尺寸薄层构件。因为风机叶片中主要载荷集中在一个方向，便于纤维布的铺设。例如梁帽中所有纤维都沿着叶片长度方向排列，因为叶片长度方向是弯曲载荷的主要加载方向（上表面受拉伸载荷，下表面受压缩载荷）。腹板中的纤维铺放应为对角取向，这样可以确保在腹板与梁帽交接处纤维取向与所有方向都成45度角。Bladewithsparcaps&shearwebSteelI-BeamBladewithboxsparWEHandbook-3-StructuralDesign3上图所示是由三根棒材通过固定销连接而成的框架结构。在对这个结构施加载荷时，框架会由长方形变成菱形，棒材尺寸没有发生变化，而对角线尺寸则发生了明显改变，一条伸长另一条缩短。因此为了保证框架刚性需要增加两个对角方向的固定棒材。通过增加更多的对角棒材可以延长框架的长度直至形成一个长梁结构，每一部分都需要有对角棒材保证剪切刚性。两个棒材缺一不可，一个承担拉伸载荷，另一个承担压缩载荷。整体载荷达到平衡，横向保证上下梁帽均匀分开，纵向保证梁帽不发生剪切滑动。单向织物用于制造梁帽，±45°双向织物用于制造抗剪腹板，在梁帽制备中也会用到一些双向织物，目的是为了在单向织物间传递载荷。对于使用盒式大梁的叶片，采用双向织物与单向织物交叉铺放方式。对于使用抗剪腹板的叶片，采用附加双向织物增强的方式。对于后者在制造中需要特别注意抗剪腹板和梁帽的充分重叠，以保证载荷可以通过相对较弱的结构胶粘合面顺利传递。LiftanddragatdifferentanglesofattackWEHandbook-3-StructuralDesign几何尺寸优化设计设计人员可以在不改变叶片几何外形的条件下，通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能，降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽，这样做却增加了生产成本。同时腹板强度也需要提高，但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。综上所述，几何尺寸的优化设计需要从风机设计，载荷分析，结构设计和制造成本等多方面综合考量才能获得最佳的结果。疲劳性能众所周知在疲劳外力作用下，部件往往会在较低的载荷下发生破坏，而这个载荷远低于断裂载荷。例如在金属结构中的金属疲劳现象，一个很好的例子是当一个金属材质的调匙被反复的弯曲后最终会发生断裂。与金属材料相同其他材料包括玻璃钢复合材料也存在疲劳现象。木材具有相对较好的疲劳性能，因此在小尺寸叶片中被大量采用，但由于木材的比强度不如玻璃钢高，而限制了其在大尺寸叶片中的应用。在实际使用中，叶片受到的推力会因为诸多因素的影响而不断变化，这些因素包括风速，风切变，偏航误差和扰流等。当风向与风机朝向不同时，叶片的攻角，推力都会随着风机的调整而发生变化。推力的作用方向是在翼面向上，推力推动叶片旋转。翼缘向上会受到叶片自重产生的载荷，自重载荷在叶片旋转时对叶片施加反向的作用力。降低许用设计载荷是防止疲劳失效的最简单的方法。疲劳性能测试就是通过反复多次的加载卸载来得到载荷与发生失效时的循环次数曲线。典型风机叶片的疲劳载荷-循环次数曲线SPX8080/EGL1600/32%.FVF=54%.24MicronOCFR25HR=0.1Frequency=4HzRemainingstaticstrength=97%WEHandbook-3-StructuralDesign通常情况下叶片的设计寿命为20年，在这期间要经受相当于1千万次的循环载荷，许用载荷为静态最大载荷的30%。许用应力主要取决于材料本身，碳纤维增强环氧预浸料可以经受50%最大载荷下循环1千万次，而玻璃纤维增强乙烯基酯只能承受不到20%的最大载荷。降低许用设计载荷是防止疲劳失效的最简单的方法。或者是采用较大的安全因子，但是这样则会导致较多的材料浪费。更加复杂的分析着眼于载荷随时间的变化（载荷图谱），并采用统计方法计算不同载荷下的循环次数。常用的方法是循环计数雨流法。通过应力-循环次数图中消耗的叶片寿命可以计算出每种载荷产生的破坏程度。例如某种载荷在1000次循环后失效，而载荷图谱预计破坏次数是200次，则20%的使用寿命被消耗掉。如果假设每种载荷下的损伤可以累积，就可以根据载荷图谱得到全部的疲劳寿命消耗情况。例如在某种载荷下20%的寿命被消耗，而在另一个更低的载荷下循环更多次后35%的寿命被消耗掉。如果累计的消耗达到100%，叶片就会在设计寿命前发生失效破坏。叶壳叶壳的作用主要是提供空气动力学外形，同时也起到增强大梁强度和刚性的作用，也提高了叶片抵抗扭曲载荷的能力。与抗弯性能一样，部件尺寸越大，抗扭曲载荷能力越强，而叶壳的横截面积要明显大于盒式大梁。扭曲变形时的主要载荷是剪切，因此如前面提到的抗剪腹板一样，叶壳中也要用到一定比例的对角分布纤维布。叶壳中也包含沿长度方向分布的纤维，在一定程度上起到辅助梁帽承担弯曲载荷的作用。但更为重要的作用是增加翼缘向的抗弯强度。这是因为结构梁中当承力材料距离越远整体性能越好（与在翼面向弯曲的梁帽相同）。叶壳的截面积远大于盒式大梁，因此可以更好地增加翼缘向的弯曲刚度。翼缘向的弯曲是由于叶片自重产生的，叶根部的弯曲力矩最大，因此整个叶片的重心也在叶根附近。尽管叶壳可以承担大部分的翼缘向弯曲载荷，通常情况下在后缘靠近叶根部还需要铺设附加的增强层以提高抗弯性能。WEHandbook-3-StructuralDesign如果叶壳全部采用玻璃钢复合材料制造，达到要求的强度所需厚度只有几毫米。但是因为从梁帽到后缘的距离有1米多长，如果采用几毫米的厚度则刚度不足。这也会导致空气动力学问题和发生脱粘现象。增加玻璃钢层的厚度可以解决这个问题，但又会导致重量和成本增加。因此叶壳部分多采用内部夹杂低密度芯材的夹芯结构。常用芯材多为硬质泡沫或轻木。夹芯结构的工作原理和工字梁以及盒式大梁相同，芯材主要承担剪切载荷，上下表层提供弯曲刚性。在放置梁帽处一般不铺放芯材，这样做可以增大梁帽间的距离，如上所述这样做会提高整体的抗弯强度。叶根设计在空气动力学设计章节中提到为了与轮榖相连接，叶根部分通常设计为圆形。同时为了满足维护等需要，叶片根部多以螺栓连接以便于拆装。对于金属大梁可以采用焊接的法兰连接，但这种方法不适用于玻璃钢大梁。因为在法兰周围的树脂中会产生应力集中。大部分叶根设计是在玻璃钢根部留出螺栓孔，再将螺栓旋入或通过粘合剂粘接。载荷通过螺栓传递，这种设计要求在轮榖内设置螺母。无论是剪切腹板还是盒式大梁都需要和根部轮箍连接，盒式大梁可以在中央芯轴上缠绕铺层，这种方法可以得到从根部圆形到前端方形的平滑过渡，这种方式由于根部铺层较厚因此需要的生产时间较长。较厚的铺层更易产生放热问题，同时对铺层的质量也要求较高。因此一些生产商将叶根作为独立部件生产，再将各部件粘接到一起。这种情况下如果粘合失效会导致致命的破坏。总之，完美的粘接需要缜密的设计加上高强度耐疲劳的粘合剂作为保证，此外还需特别注意避免粘接面的应力集中。WEHandbook-3-StructuralDesign刚性上文我们讨论了叶片的强度，而叶片的刚性也是至关重要的。强度和刚性是两个完全不同的性能指标，以橡胶带为例，它很容易伸长但却难以断裂，所以说橡胶带强度高但刚性差。再比方说鸡蛋皮就属于刚性好但强度差的材料。如果叶片的刚性不够，使用中可能会遇到几个问题，这些问题都和塔架有关。常见的塔架多为圆筒形，气流会在顺风向形成湍流，处于顺风向的风机叶片当通过湍流区时会受到不断变化的推力，这会降低发电效率并加大疲劳载荷。因此多数设计者将风机设计为迎风型。但当迎风型风机叶片发生弯曲变形时，很容易发生撞击塔架的事故，所以我们要求叶片具有较强的刚性，能够减小变形量防止撞击塔架。通常情况下规定运行中最大变形量不能超过静止条件下叶尖与塔架距离的70%。避免撞击的一个简单的办法就是加大静止时的叶尖和塔架间距，可以调整转子位置或是倾斜一定角度，还可以设计预弯型叶片或是锥形叶片。在实际应用中这些方案都或多或少地存在一些问题，例如降低空气动力学效率，增加生产成本（例如加大间距型风机需要更高性能的机舱轴承）等WEHandbook-3-StructuralDesign另外的一个问题是即使是迎风型叶片仍然会承受塔架周围的波动气流压力。这将增加疲劳载荷（尽管没有顺风型风机严重）。更为重要的是将引起叶片共振。共振现象就像孩子在荡秋千，如果持续以相同的频率施加外力给秋千，秋千会越荡越高，如果以不同的频率施加外力，秋千就会变低。叶片产生的共振会显著地增加摆动，加大叶片以及轮榖和传动轴承的疲劳载荷。因此叶片必须具有较高的刚性和较轻的重量以防止扫过塔架时产生共振。而为了提高刚性增加的材料又会导致自重升高，因此必须通过加厚叶片来改变自身的震动频率。叶片通过连接件与轮毂连接，每个叶片的振动都会影响到其他叶片。因此每只叶片自身的振动频率都不能和自身或其他叶片扫过塔架的频率相同。例如，如果一个叶片以每2秒钟的频率扫过塔架，则叶片自身的振动频率就不能是1秒或3秒。对于变速风机而言，这种要求更加难以实现纤维类型玻璃钢复合材料中最为常用的增强纤维是碳纤维和芳纶纤维。碳纤维的强度是玻纤的两倍，模量是玻纤的3倍。高模量使得碳纤维复合材料具有更好的疲劳性能。但是因为碳纤维的造价高昂，因此只被用在叶片中要求高强度和模量的部分。WEHandbook-3-StructuralDesign通常碳纤维被用在大尺寸叶片的梁帽中（超过80米直径），这是因为大尺寸的刚性较差，在不增加附加材料的情