小功率（小型）风力发电机叶片优化设计方法

林锁鑫等

摘要：小型风力发电机的叶片是摄取风能的关键部件，其气动性能与结构性能决定着发电机自身的运行寿命与工作效率。小型风机的叶片翼型的相关设计和叶片结构形式的选择能直接影响着风机相关性能与风能的转换效率，它们是风机叶片最核心部分，所以，风机叶片的气动外形相关的优化设计在小功率的风机的设计与制造中有重要地位。

关键词：小型风力发电机；风轮；叶片；优化设计；风能 文献标识码：A

中图分类号：TM129 文章编号：1009-2374（2015）23-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.020

目前，各个国家都特别重视地球的能源情况，电能排在能源消耗的第一位，其是根据其他的地球能源进行转换得来的。各个国家电能的生产大多是依靠水力发电与火力发电，但是水力发电会受到自然环境制约，火力发电是用煤与重油燃烧之后生产的，会产生大量有害的气体，对环境造成严重污染。因此，近几年来各个国家都在非常积极地发展风力发电技术。小型风机进行风能吸收比较关键的一个部件就是叶轮，它能直接决定小型风机风能的利用系数。风机的叶轮最为核心的一部分即为叶片，风能进行转换的效率可以被风机叶片的形状与风机叶片的气动性能所影响，因此，伴随着国内的风力发电相关技术飞速的发展，风机叶片的优化设计相关技术也有了非常大的进步。

1 风力发电机简介

风力发电机的设计、制造和维护产业将会得到飞速的发展，尤其国内小型的风力发电机的适用范围十分广阔。在自然风能丰富的地区及国家电网还未能输送的偏僻地区，我们可以采用与实际情况符合的独立、高效的小型风力发电机来发电。

小型风力发电机比较重要的部件为叶片，对风力发电机的叶片的设计进行优化以及制造很重要。叶片是由玻璃钢制成的复合材料，其可大大地降低发电机自身的重量，增加风力发电机自身捕风的能力，降低小功率风机的相关成本。本篇文章根据比较偏远的北方地区相关风能资源的详细情况，来对小型（小功率）风力发电机的叶片进行了优化设计。首先计算了叶片的直径；其次确定了风机叶片的截面翼型以及具体的尺寸；最后对荷载工况以及强度校核进行设计并进行了动态特性分析。

2 计算叶片直径D

风力机的叶片设计其实主要是确定叶片数、翼型、叶片直径、转速、弦长、安装角和扭角等相关参数，在这些参数被确定下来之后即可求出风机的功率系数。

小型风机的叶片翼型多是扭曲型，而且扭曲型的叶片制造相对比较困难，但是它可以提高风机的风能利用系数，小型风机能得到相对最高的风能的相对利用率。进行设计的时候需要使风机叶片截面翼型各个地方实际进行安装的角度互相不同，它的角度是从叶根到叶尖渐渐减小的，这样就可以令叶片的各处每时每刻的状态都会处在最好的迎角，这样就能使其升力为最佳，还可以提高风力发电机叶片进行风能接受的相关效率。我们选择了最近几年来比较常用的NACA4412翼型。

3.1 确定叶尖速比

3.2 确定风机叶片的截面翼型的弦长

4 设计荷载工况和强度校核

作用在风力发电机叶片上面的荷载有三种，即气动力、离心力、重力。它的叶片可以简单地当作悬臂梁。根据风机叶片的气动力、离心力和重力即能计算出叶片的弯矩、剪力和扭矩。根据薄壁的结构理论，我们就可以求出剖面的剪应力和正应力。对于各种荷载的工况还需要区分疲劳荷载和极限荷载，尤其进行极限荷载计算时，我们还需要计算非常难遇的特殊风速，它的风速在50～65m/s，这就要求风机的叶片在极限的荷载之下需要满足其强度的变形与稳定。

5 分析其动态特性

发电机的叶片特性有频率、响应以及振颤。因为风机载荷主要有交变性和随机性，所以在静止状态进行分析时还要考虑到动态因子将会十分粗糙。相比较，精确的分析方法即动力响应，由于受叶片动态运行参数及计算模型等的影响，其计算的结果误差较大。弯扭振动中一些参数的耦合影响会发生叶片的颤振。调整风机叶片所固定的频率，可以有效避开风力发电机的叶片所共振的相关区域，会使风机叶片相关的动应力得到降低。因为风机叶片的各个剖面相关的扭角各不相同，所以主惯性轴不是互相平行的，因此就会产生了X与Y两个方向的弯曲耦合的振动。在叶片进行旋转的时候还能产生相应的离心力来使各个剖面都会受到轴向的拉力，即相当于使风机叶片相对的弯曲刚度得到增加，还增加了叶片弯曲的频率。经计算证明，一阶振动的方向频率和试验结果是很接近的，其误差不会高于10%，可以满足优化设计的相关要求。

6 叶片材料的优化选择

因为风机的叶片是通过直接迎风来得到风能资源的，这就要求风机的叶片选用比较先进的制作材料以及非常科学的制作工艺，这样才能保证风机叶片可以有效地承担非常大的风力，风力发电机叶片的自身重量，转动以后离心力所带给风机叶片的弯矩以及拉力，与此同时风机叶片进行优化设计还要求风力发电机的叶片结构必须要轻，其强度必须要高，而且其制造还要比较简单，因此小型风力发电机的叶片材料也是决定小型风机性能的一个关键因素。

传统风力发电机的叶片材料主要是木质和帆布的，最近几年来，风机叶片的材料开始渐渐选用玻璃钢材料，其具有重量较轻、力学性能和稳定性都很好、成型比较简单、价格非常便宜等许多优点，凭借这些优点逐渐成为了小功率（小型）风力发电机主要的叶片材料。为了满足小型风力发电机对叶片的优化设计，导致玻璃纤维复合材料也在逐渐进行技术的革新，实验证明，玻璃纤维进行了表面处理之后其界面的粘结的强度以及单纤维的拉伸的强度都比没有进行表面处理的高，而且新型的玻璃纤维还可以对风机叶片的性能进行提高，同时其叶片的成本不会增加，还可以将玻璃纤维的布（毡）进行交替铺设，这样可以提高叶片的层间抗断裂的

能力。

7 结语

单机容量的增加是风力发电技术飞速发展的十分重要的标志，它的叶片相关长度同时也会逐渐增加。增加后设计中就需要考虑到更多的影响因素，这就需要学会其他方法的运用，让风机叶片气动性一直处在最佳状态。风机叶片长度的增加也会使叶片的重量有所增加，从而会对机组的运行及能量的输出造成影响。在叶片运行时，交变荷载会使叶片本身及机组进入疲劳状态，将会影响到机组的寿命，所以在对叶片进行优化设计时需要考虑减重。与此同时，不仅令风机的叶片安全运行，令叶片的重量得到减轻，还要使风力发电机叶片的强度与刚度满足要求，这就需要对叶片设计的优化提出更高要求。

参考文献

[1] 聂晶.小型风力机叶片设计[D].内蒙古工业大学，2005.

[2] 钱杰，张锦光，吴俊.小型低风速风力发电机叶片设计[J].武汉理工大学学报，2010，32（5）.

[3] 张果宇，蒋劲，刘长陆.风力发电机整机气动性能数值模拟计算与仿真研究[J].太阳能学报，1997，18（3）.

基金项目：2014年宁德师范学院大学生创新训练计划项目。

（责任编辑：陈 倩）