大型水平轴风力机新型叶片结构设计思想和研究进展

风能作为重要的可再生能源和清洁能源，在近几十年成为重点开发和利用的新能源之一。近年，风电行业保持了高速的发展，风能的利用呈现出稳定增长的趋势，根据世界风能协会的统计，截至2018年底数据，全球累计风电装机容量达到600 GW，近5年时间内装机容量增长了约一倍[1]。风力机是捕获风能和实现风力发电的主要设备，相对于单机容量小的垂直轴风机，水平轴风机是目前世界上安装数量最多、应用范围最广的风机类型，在风机市场中占据主导地位。为了使风电与传统石化能源相比具备价格优势，进一步降低其单位发电成本成为风力发电技术研究的目标。为实现这一目标，增大单机的额定功率成为最便捷和最有效的方式。风机功率可近似由下式表达：

风力机转子功率由功率系数Cp、空气密度ρ、转子半径R和风速V决定。涡轮机的功率输出与转子的扫掠面积成比例，即 R2较大的涡轮机功率更高，且由于大型风力机高度更高，可以在陆地边界层中达到更高的风速区，使风速V3也随之提高。从风场角度考虑，较大的涡轮机可以从相同的占地面积中获得更多的能量，当优质风场选址成本高或风场面积小时，大型风力机将更有效率[2]。基于以上多方面的考量，近年风机大型化、叶片大型化成为风机发展的必由之路。近年LM公司建造的8 MW海上风力机单叶片长度已达88.4 m，同时研究机构已开始继续考察100 m和120 m叶片的可行性，预计120 m长的叶片每叶片质量将超过160 t[3-4]。叶片大型化带来的问题主要包括两方面：一是经济性的考量；二是设计、制造、安装、维护等技术上的困难。

直接等比例放大的叶片质量(成本)与 R3成正比，而式(1)指出涡轮功率与 R2成正比，这表明，等距放大的涡轮叶片在达到临界尺寸之后将不再经济。叶片在运行过程主要受重力、离心力、气动力作用，随着叶片长度的增加，叶片重力和与重力相关的离心力也随之急剧增大，成为叶片设计中的重要因素，研究表明 10 MW 量级的风机叶片额定风速下离心力和重力已远超气动力[5]，在采用现有叶片结构的条件下，对叶片内部铺层和拓扑优化设计及应用新材料，根据实际的数据拟合，叶片重量仍随叶片长度以超过2次幂的指数函数增长[6]，这意味着大型化叶片必须在设计上进行创新，降低叶片质量以满足经济性要求。此外，根据叶片悬臂梁的布局，叶片根部将会承受巨大的弯矩，要求叶片根部添加更多材料以防止叶片破坏，质量的急剧增大成为限制叶片增长的主要原因之一，减重设计是大型叶片大型化发展的重中之重。同时，叶片质量的减轻也会给叶片设计、安装和运输带来极大的便利。因此，保证叶片承受极限风载时各个部位受力安全的条件下，优化叶片质量分布和降低叶片质量成为近年叶片研究的重要方向。

大型化叶片结构设计是受多条件约束的复杂设计问题，在保证气动性能的同时，需综合考虑叶片刚度、极限强度、疲劳寿命、振动失稳等方面因素。叶片必须维持足够的刚度以避免与塔架发生干涉，在通常工作条件下，传统叶片的叶尖挠度在叶片长度的3%～10%左右，在极限风况下甚至可达叶片总长的15%～20%[3]，在叶片大型化过程中叶片与塔架的间隙也随之增大，给变桨机构带来巨大压力。大型风力机工作环境较复杂，大风状态叶片会产生强风载，冲击破坏和振动破坏对风电机都是致命的，风机在设计时必须考虑承受的极限载荷和疲劳载荷。极限载荷主要是叶片在遇到强力阵风时叶根所承受的巨大的弯矩，而疲劳载荷和许多因素有关，如塔影、风剪切、重力对旋转的叶轮所施加的周期激励和机械传动系统的误差等。叶片的振动是造成疲劳破坏的重要原因，通常由于结构阻尼过小导致叶片振动失稳，从而带来严重的灾难性破坏，导致叶片振动失稳的原因主要有叶片刚度较差、叶片在某个振动方向上阻尼偏小或与空气动力的激励耦合之后系统的整体阻尼偏小甚至为负值，导致叶片在某个方向上振动发散[7]。

不难发现，大型叶片结构设计的难点在于叶片轻质需求与结构性能要求之间的矛盾，以及叶片气动设计与结构设计之间的矛盾，即在弯矩较大的叶片根部到中部区域不得不牺牲气动性能而使用气动性能较差的厚翼型。究其原因，传统悬臂梁叶片的结构特性决定了叶片承受的载荷分布，而承载特点又进一步影响了叶片质量分布和气动外形设计[8-9]。为解决这些问题和困难，对叶片承载的优化成为叶片结构设计的核心问题，新型叶片结构的设计是风力机进一步发展的重要驱动力之一。

2 新型叶片结构的设计思想

风力叶片设计的目标是降低涡轮的电力成本(COE)，通常表达为单位发电量成本。在叶片设计环节，为简化考虑，COE通常以年度电能产出(AEP)和代表叶片材料成本的叶片质量 m来衡量，即将m/AEP作为横向比较各种风机结构的评估指标，由此可见，降低单位发电成本主要有两种途径，即降低叶片质量，以及提高叶片气动效率(从而提高AEP)。

对传统叶片的研究使用数值方法对叶片材料铺层优化，以及对叶片截面进行拓扑优化，来获得具有更高结构性能的叶片铺层和拓扑结构[10-13]。此外，碳纤维等先进复合材料的引入也可以有效提高叶片刚度降低叶片质量，但需要考虑由此带来的材料和制造工艺成本的增加[14-15]。但是，这些基于传统悬臂梁叶片结构的改进性优化并未改变叶片的承载形式，在进一步大型化的过程中仍无法从原理上摆脱瓶颈效应，在此背景下，对叶片承载进行针对性改进的新型叶片结构设计涌现出来。这些新概念叶片结构的设计各有不同，但其中蕴含的设计思想大致包含以下几种，仿生设计思想、分段设计思想和局部设计思想。

2.1 柔性仿生设计思想

叶片根部的巨大重量与其承受的载荷密切相关，研究者们对如何改变叶片根部刚性承载的局面采取了诸多方法，如柔性叶片、自适应叶片、仿生叶片等，其共同思想是希望借鉴自然界植物抗风的原理，将叶片刚性的悬臂梁结构通过材料铺层和结构设计释放某些自由度，使之能像植物一样面对强风柔性承载，并且汲取植物枝叶结构轻质高强度的特点，降低结构刚度要求，以达到减重的目的。据诺贝尔物理学奖得主Martin Ryle估计，叶片在高风速下如果能像棕榈树一样工作，能源转换效率可提高50%左右，材料可节省2/3 [16]。

在风力机发展的早期，柔性叶片的设计思想就已存在，Maglarp型和Smith-Putnam风机通过摆式轮毂与变桨耦合来调节叶片，GROWIAN和WTS-3等自适应风机为使叶片具有柔性且不与塔架干涉而采取下风向设计，将柔性叶片与轮毂连接，将叶片在摆动方向自由度释放开，从而大大降低叶片根部动态弯矩[17]，早期的设计由于调节系统较为复杂而效率不高，以致后来逐渐转向叶片和轮毂刚性连接，但值得注意的是此种设计可使叶片质量大大降低。

对于叶片与轮毂刚性连接的悬臂梁结构叶片，也有研究者通过铺层位置和厚度优化设计和弯扭耦合叶片来实现部分自适应效果[18-20]。弯扭耦合叶片是依靠作用在叶片展向上的气动弯矩，产生绕叶片展向作用的扭矩，使叶片的扭角分布发生变化来控制叶片的气动外形。由于叶片的气动性能和叶片的扭角直接相关，在阵风等突变的情况下，叶片扭角分布的改变能够有效平衡阵风带来的气动力突变，通过控制叶片纤维铺层与叶片展向支撑梁之间的方位差，可以实现叶片弯扭耦合程度的控制，从而赋予叶片一定的柔性，实现载荷和功率输出的自适应控制。这种基于传统悬臂梁的结构优化主要是降低叶片的疲劳损耗，提供一定过载保护能力，但重量减轻效果较为有限。

在大型风机上，柔性叶片的发展要求改变叶片的悬臂梁结构。Rasmussen等[21]针对兆瓦级风机设计了柔性风轮(Soft Rotor)结构，风轮为下风向布置，采用柔性结构叶片，叶片在气动载荷作用下弯曲变形，同时增大了风轮的面外摆动自由度，在运行工况以及极端风况下，载荷降低了25%～50%。Steele等[22]依据设计的 10 MW 风机叶片上作用的气动力、离心力和重力的合力分布特点，设计了沿展向有一定锥角的分段变形叶片，如图1所示。通过锥角使得各段叶片所承受的合力只沿叶片轴线方向，因此叶片只承受轴向张力，对叶片的有限元分析显示，预弯叶片在保证和原始叶片同样的强度的情况下重量可以降低52.3%。

除了风轮结构的柔性设计以外，单支叶片的仿生设计可分为气动外形的翼型仿生设计和内部结构的仿生设计，前者主要是对鸟类翅膀进行研究[23-25]，后者则主要是针对植物结构的仿生，如Liu等[26]对植物叶片柔顺结构的可仿生性进行了研究，仿照抗风型植物叶片的中轴叶脉网络的拓扑结构对风机叶片进行了优化。

总的来说，柔性仿生叶片是利用材料铺层或可活动关节将叶片刚性承载的状态转换为柔性承载，在遭遇极端气象条件时通过变形减弱气动力的冲击，并具有一定的自适应性。但是，柔性设计带来的大变形使得通常只能采用下风向设计，以防止叶片与塔架发生碰撞，下风向风机由于气流需先经过塔筒绕流，气动效率会受到一定程度的损失。

2.2 分段设计思想

传统风机叶片通过变桨轴承与轮毂连接，叶片与轮毂形成悬臂梁的力学结构，变桨轴承起支撑叶片的作用。根据式(1)，叶片承受的气动力与相对风速的平方呈正比，气动力由叶片根部往尖端逐渐增大，且气动力的作用力臂与叶片展向呈正比例关系，因此，外围叶片段的气动性能远高于根部叶片段。由于叶片的悬臂梁结构，根部叶片段主要起支撑外围叶片段的作用，往往采用圆筒形或厚翼型，其尺寸与质量显著大于外围叶片段。研究表明，叶片根部 25%长度部分的质量与叶片总质量的比例约为46%，而该部分叶片段产生的功率仅占叶片总功率的约 5%[25]。叶片的悬臂梁结构大幅增加了根部叶片段的质量，降低了叶片的经济性，同时给变桨轴承带来了额外的载荷。分段设计思想针对叶片不同区域的不同功能特点和承载特性进行有区别的设计，靠近叶尖部优先于气动性能设计，靠近叶根部则优先于结构设计，同时兼顾气动性能。

早期的分段叶片设计[17]将靠近叶根的部分固定，靠近叶尖的30%～50%的部分叶片则能够活动，该设计应用在MOD-2上风向双叶片风机上，如图2(a)所示，约占全长 30%的叶尖部分全部用当时可用的轻质材料-玻璃钢制造并且能活动以控制桨距[27]。虽然受当时技术的制约没有大规模推广，但对后续的分段和前端变桨技术的发展仍有重要的意义。Enercon的7 MW风机[25]采用了分段叶片的概念，如图2(b)所知，用螺栓连接分段技术将两段叶片分别制造后各自运输到风场进行组装，大大降低了制造和运输成本。分段叶片和前端变桨技术的结合可以用低运行成本来实现功率调节功能，除了类似 MOD-2风机的同轴变桨，Xie等[28]提出了斜轴折叠变桨风轮的设计，叶片分为根部定桨叶片段和外围折叠叶片段，叶片段间由折叠机构相连接，如图2(e)所知，此设计将柔性变形与变桨结合起来，与前述的柔性变形风轮相比，不仅具有其减少对风面积被动调节气动载荷的特征，同时还能通过折叠轴倾斜产生耦合变桨的方式实现叶片桨距角的主动调节。

除了变桨叶片，其他基于分段思想的叶片载荷主动控制技术也在不断发展，如伸缩式叶片[29]，其基本思想是通过改变风轮的扫风面积，即改变叶片的长度，来实现功率的有效控制。如图2(d)所示，伸缩式叶片由两段叶片组成，尖端叶片嵌套在根部叶片中。在低风速下，尖端叶片向外伸展，扩大风轮的扫风面积。高风速下，尖端叶片向内收缩，嵌套在根部叶片内部，减小叶片展向长度。通过控制叶片长度随风速的变化，实现稳定功率输出。

以上分段叶片的设计思想是将传统叶片根部与变桨轴承连接的部分改为与塔架固定，通过这种方式增强根部承载能力，而将变桨部位前移到叶片中部，在相同材料性能的条件下比传统叶片实现更大的叶片强度。另一种分段思想指导下的设计思路是，通过叶片旋转面外结构对叶片进行增强。如Lu等[30]提出了根部铰接的叶片转子增强结构，三只叶片铰接在轮毂上，释放叶片在风轮平面内的旋转自由度，用三只中心对称拉杆来支撑叶片，并用三对铰接在轮毂上并与张拉杆铰接的支撑杆保持整体结构稳定性，如图2(f)所示，有限元计算表明增强结构可实现约35.4%的叶片减重效果。此外，针对叶根的新型分段设计还有双翼叶片结构[31]，将叶片根部的厚翼型改为对称的双翼薄翼型，依靠双翼互相支撑达到和原叶片相同甚至更高的承载能力，分析表明双翼增强叶片叶尖位移和弯矩减小，而升阻比提升。

总而言之，分段设计思想能够较明显地改善悬臂梁叶片的承载特征，使由叶尖向叶根部连续增大的弯矩呈现分段式地变化，很大程度缓解了叶根部的巨大载荷，是大型叶片继续增长的有效途径。但是，目前超过两段的大型风机叶片由于设计难度高还难以实现，多以两段为主，叶片分段连接处同样需要承受巨大的悬臂梁载荷，且外露的连接结构可能对气动性能造成损失，分段连接部结构需要额外注意。

2.3 局部多叶素设计思想

多叶素叶片的主要思想是通过在叶片本身翼型之外加入额外的附加结构，使叶片局部从原本的单叶素变为多叶素以达到调节叶片气动性能的目的，附加结构通常是升力器件，使多叶素翼型与传统翼型相比具有更高的升力系数，并可在不增加叶片弦长的条件下增大气动载荷，从而实现升力和叶片内侧气动效率的提升，而且，与传统的厚叶片相比，经过设计的多叶素叶片的诱导阻力也会降低。其中，有些附加组件(如前缘缝翼等)是可拆装的，可扩展性的特点为已安装投入使用的叶片进行后期性能改善提供了可能。

带襟翼叶片风机的风洞实验[32-33]和仿真研究[34]结果都表明，在风速随机变化的情况下，襟翼跟随动作使得叶片根部弯矩较为稳定，功率输出平稳。翼型尾缘的小插片(microtab)设计也有相似的效果[7,35]。附有前缘缝翼的叶片[36]在叶片工作时将得到很大一部分来自缝翼的额外升力。叶素数量也可为三叶素或更多，如 MFS-004叶片[37]是类似于带有尾缘襟翼的双翼三叶素，CC-1叶片[38]是带有紧密耦合双襟翼的三叶素叶片。

多叶素局部设计共同特点是通过改变气动外形来主动或被动调节功率，达到减轻动态载荷的局部设计目的，尽管没有宏观的分段叶片结构设计带来的减载效果明显，但是其结构成本较小，在叶片增加的附加质量较小的代价下实现了较大的气动性能和动态结构性能的改善。值得注意的是，由于局部细小结构上承受的气动力相当大，附加结构与叶片主体之间的连接方式是局部多叶素设计的难点之一。

3 结论

本文对大型风力叶片结构的几种新设计思想进行了介绍。仿生柔性叶片能有效降低叶片内部疲劳载荷，改善变化风况下叶片损伤情况，但由于柔性增大往往需要采用下风向设计或更大的塔架间距。分段叶片能从宏观上改变悬臂梁的载荷分布，激发叶片根部的气动潜力，但分段之间的连接部分需要额外设计。多叶素叶片着眼于叶片微观局部，以极小的结构成本换取较大的气动性能提升，是对宏观结构设计的有力补充。这些新设计尽管着眼点各不相同，但其中蕴含的共同思想是针对大型叶片结构具有不同功能和承载特点的区域进行局部的、精细的、有针对性地设计，体现了具体问题具体分析的原则。在实际的叶片设计过程中，这些思想也不是割裂的，而是互相交融的，往往需要多种设计思想有机结合，为新型叶片结构实用化提供有意义的指导。

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