摘要：介绍目前风电叶片的外形设计、结构设计和材料方面的技术，并分析叶片在翼型、结构设计和材料方面的发展趋势和新的设计理念。

　　1前言

　　能源是人类社会发展和经济增长的原动力。目前以化石燃料为主的能源结构，不仅资源难以支撑，而且对环境带来严重问题，特别是温室气体排放造成全球气候变化将带来一系列生态和环境问题。解决这一难题的出路在于开发清洁的可再生能源。目前在可再生能源中，除水电以外，风电最具有商业开发条件。风能作为环境友好型的可再生能源，它的开发和利用不仅可以缓解世界能源危机，而且还具有常规化石能源不可比拟的优势，如可持续开发，不存在资源枯竭问题，不排放二氧化碳等温室气体和其他有害物质等。地球上风能资源非常丰富，据有关调查结果显示，全球的风能储量约为2．74×10MW，其中可经济开发利用的风能为2×10MW，比可开发利用的水电总量还要大1O倍。随着常规化石能源的枯竭和生态环境的恶化，以风电为代表的可再生能源的开发和利用受到各国政府的重视，经过最近二十多年的发展，尤其是近几年，风电产业日益成为一个迅速增长的新兴产业。在过去十年中，全球风能产业以每年30％左右的速度快速增长，且这种趋势还会持续下去。截止2006年底，全球风电总装机容量已超过74GW。

　　全球风电产业的迅猛发展带动了风电机组及其上游产业链的快速发展，其中叶片是风电机组的关键部件之一，其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷，在很大程度上决定了机组的整体性能和风电开发利用的经济性。同时，叶片也是风机的核心部件，其成本约为风电机组总成本的20％[1]。因此，世界各大主要风机制造商都非常重视叶片的设计和生产，并尽可能保持独立的设计和生产能力。

　　2风轮叶片设计

　　风轮叶片的优化设计要满足一定的设计目标，其中有些甚至是相互矛盾的¨：年输出功率最大化；最大功率限制输出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；保证叶片结构局部和整体稳定性；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。

　　叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段，其中气动设计要求满足前两条目标，结构设计要求满足后四条目标。通常这两个阶段不是独立进行的，而是一个迭代的过程，叶片厚度必须足够以保证能够容纳腹板，提高叶片刚度。

　　2．1外形设计

　　叶片气动设计主要是外形优化设计，这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风机的发电效率，在风机运转条件下，流动的雷诺数比较低，叶片通常在低速、高升力系数状态下运行，叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成，叶片叶型的设计变得非常重要。目前叶片叶型的设计技术通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法设计叶片叶型的形状。先进的CFD技术已广泛应用于不同类型气动外形的设计，对于低雷诺数、高升力系数状态下风机运行条件，采用考虑粘性的N—S控制方程分析叶片叶型的流场是非常必要的。

　　在过去的1O多年中，水平轴风机叶片翼型通常选择NACA系列的航空翼型，比如NACA44XX，NA—CA23XX，NACA63XX及NASALS(1)等。这些翼型对前缘粗糙度非常敏感，一旦前缘由于污染变得粗糙，会导致翼型性能大幅度下降，年输出功率损失最高达30％[3]。在认识到航空翼型不太适合于风机叶片后，80年代中期后，风电发达国家开始对叶片专用翼型进行研究，并成功开发出风电叶片专用翼型系列，比如美国Seri和NREL系列、丹麦RISO—A系列、瑞典FFA—W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有优势，Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低；RISO—A系列在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低；FFA—W系列具有良好的后失速性能。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA—W翼型，风机专用翼型将会在风机叶片设计中广泛应用。表1为对NREL翼型系列性能提高的估算。

　　目前叶片外形的设计理论有好几种，都是在机翼气动理论基础上发展起来的。第一种外形设计理论是按照贝茨理论得到的简化设计方法，该方法是假设风力机是按照贝茨公式的最佳条件运行的，完全没有考虑涡流损失等，设计出来的风轮效率不超过40％。后来一些著名的气动学家相继建立了各自的叶片气动理论。Schmitz理论考虑了叶片周向涡流损失，设计结果相对准确一些。Glauert理论考虑了风轮后涡流流动，但忽略了叶片翼型阻力和叶稍损失的影响，对叶片外形影响较小，对风轮效率影响却较大。Wilson在Glauert理论基础上作了改进，研究了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并且研究了风轮在非设计工况下的性能，是目前最常用的设计理论。

　　2．2结构设计

　　目前大型叶片的结构都为蒙皮主梁形式，如图1所示为典型的叶片构造形式_4j。蒙皮主要由双轴复合材料层增强，提供气动外形并承担大部分剪切载荷。后缘空腔较宽，采用夹芯结构，提高其抗失稳能力，这与夹芯结构大量在汽车上应用类似。主梁主要为单向复合材料层增强，是叶片的主要承载结构。腹板为夹芯结构，对主梁起到支撑作用。

　　叶片结构设计应依据相关设计规范。目前叶片结构设计规范主要建立在IEC国际标准和德国GL标准基础上，要求结构满足静力强度、疲劳强度和叶尖挠度要求。复合材料叶片各铺层是交错铺放的，实际初步设计时，将所有双轴布视为一层，所有单轴布视为一层，这样做对结构强度和性能影响不大_4J。叶片结构铺层是分段设计，各段厚度都不一致，应对厚度进行连续化处理，最终设计的各铺层厚度还应为各单层厚度的整数倍。

　　结构铺层校核对叶片结构设计来说也必不可少。前在校核方面，大多用通用商业有限元软件，比ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等。对叶片进行校核时，考虑单层的极限强度、自振频率和叶尖挠度J，分析模型有壳模型和梁模型等，并且能够做到这两种模型的相互转换，如图2，3所示。与其他叶片结构相比，目前大型叶片的中空夹芯结构具有很高的抗屈曲失稳能力，较高的自振频率，这样设计出来的叶片相对较轻。有限元法可用于设计，但更多用于模拟分析而不是设计，设计与模拟必须交叉进行，在每一步设计完成后，必须更新分析模型，重新得到铺层中的应力和应变数据，再返回设计，更改铺层方案，再分析应力和变形等，直到满足设计标准为止，如图4所示。因为复合材料正交各向异性的特殊性，叶片各铺层内的应力并不连续，而应变则相对连续，所以叶片结构校核的失效准则有时候完全采用应变失效准则。