大型風力發電機復合材料葉片技術及進展

    2.1　材　料
    目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料(GRP)。長度大于40m葉片可以采用碳/玻混雜復合材料，但由于碳纖維的價格，未能推廣應用。GRP葉片有以下特點：
①可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度風力機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕  葉片的重量。
②翼型容易成型，并達到最大氣動效率。為了達到最佳氣動效果，葉片具有復雜的氣動外形。在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實現批量生產。
③葉片使用20a，要經受108次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料。
④GRP耐腐蝕性好。風力機安裝在戶外，近年來又大力發展離岸風電場，風力機安裝在海上，風力機組及葉片要受到各種氣候環境的影響。它應具有耐酸、堿、水汽的性能。
    2.2　氣動設計
    風力機氣動理論是在機翼氣動理論基礎上發展而來。19世紀20年代一些著名氣動學家對機翼理論做出了貢獻。Betz、Glauert、Wilson等在此基礎上發展了風輪氣動理論。我國的氣動學家對風輪氣動理論也做出過貢獻。
Betz采用一元定常流動的動量定理，研究理論狀態下風輪的最大風能利用系數。理論假定，風輪沒有錐角;風輪旋轉時沒有摩擦阻力;風輪流動模型可簡化為一元流管;風輪前后氣流靜壓相等;作用在風輪上推力均勻。應用動量方程，Betz推導出風能利用系數：
Cpmax=16/27≈0.593
    這就是著名的Betz極限。葉片的外形設計包括決定風輪直徑、葉片數、葉片剖面弦長、厚度、扭角及選取葉片剖面的翼型。運用Betz理論可建立簡易葉片外形設計方法，但目前不常用。Glauert優化設計方法是考慮了風輪尾流的葉素理論。但該方法忽略了翼型阻力和葉尖損失的影響。這兩點對葉片外形設計影響較小，但對風輪氣動性能影響較大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理論設計，根據結構要求應進行修正和氣動性能的計算，以達到優化。Wilson氣動優化設計理論是目前常用的方法。該理論對Glauert設計方法進行了改進。研究了葉尖損失和升阻比對葉片性能的影響以及風輪在非設計狀態下的氣動性能。為使風輪Cp值最大，須使每個葉素dCP值最大。理論建立了dCP與氣動參數的關系式，從而得到最佳氣動參數和氣動外形。確定氣動外形后計算氣動性能，主要包括軸向推力、轉矩、功率及相對應的系數。上述氣動理論有其局限性，理論設計須結合風場運行驗證更精確的理論應考慮3D效應及動態失速影響。