大型風機葉片的設計改進

3結構設計改進
    在復合材料葉片結構設計方面，首要的是熟悉葉片構造設計。葉根連接形式與葉片剖面形式是構造設計的重點。[-page-] 
    葉片與輪箍連接，使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪箍上，因此葉根的載荷最大。葉片上的載荷通過根端結構的剪切強度、擠壓強度、或玻璃鋼與金屬的膠結強度傳遞到輪箍上的，而玻璃鋼的這些強度均低于其拉彎強度，因而葉片的根端是危險的部位，設計時應予以重視。大型風力機玻璃鋼葉片根端形式主要有：金屬法蘭、預埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。目前國內自主開發的大型風力機葉片大多采用預埋金屬桿根端形式。為確保根端結構的安全可靠，須進行金屬桿與玻璃鋼殼體結合強度的模擬試驗。如果膠結工藝技術高，可采用金屬法蘭與葉根復合材料柱殼膠結，減輕根部的重量，使葉片外形流暢。
    葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁剖面有箱型形式或雙槽鋼形式，或D形。在后緣空腹處，采用夾層結構。葉片上大部分彎曲荷載由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用承擔部分剪切載荷。這種剖面構造，既可以減輕葉片重量，又能提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩。葉片蒙皮通常采用氈或雙向織物增強的層板結構，也有用夾層結構，以提高蒙皮的強度和剛度。主梁用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度。夾芯材料可采用PVC泡沫或輕木。這些芯材有較高的剪切模量，組成的夾層結構有良好的剛度特性。傳統葉片的纖維全為玻璃纖維，由于現在的葉片越來越大，越來越重，為減輕葉片重量，提高強度與剛度，其中一種改進措施是主梁部分或全部用碳纖維，蒙皮用玻璃纖維。這樣可使結構重量有明顯的下降。據國外專家分析指出，對于兆瓦級大型風力機葉片，采用碳／玻混雜纖維增強，可以降低葉片重量30％，減少葉尖撓度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纖維價格高，產量低，如果碳纖維能形成較大規模的生產，降低價格，碳纖維必將在兆瓦級大型風力機葉片生產中得到廣泛應用。
    葉片是風機的主要部件之一，要獲得高效率的葉片，除了設計出優良的葉片外形之外，葉片性能的提高還可以通過氣彈剪裁來改進。彈性剪裁可以通過兩種途徑來實現，第一種是將鋪層輸入，比如鋪層材料，鋪層方向作為設計參數。第二種方法是將葉片截面剛度彎扭耦合作為設計參數；第一種方法顯然過于復雜，因為葉片鋪層最多的達到上百層，第二種方法在風機葉片設計中得到廣泛應用。[-page-] 彎扭耦合是工程中常見的一種變形現象，即結構在發生彎曲的同時還伴隨著扭轉的產生。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合，拉剪耦合效應，提高機翼的性能。而在葉片結構上，也引人彎扭耦合設計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是前面所說的氣彈剪裁。通過彎扭耦合設計，降低了葉片疲勞載荷，并能優化功率輸出。葉片的優化設計是一個不斷改進的過程。其設計的優化目標從最開始的葉素功率輸出最大化，到年輸出功率最大化，到現在的性價比最優化。現在出現了葉片采用“柔性”理念設計，葉片結構剛度有所降低，在外形上與傳統葉片后緣線性變化不同，逐漸向后緣彎曲，降低了葉片風壓和風機的驅動扭矩，并最大限度捕獲所有可用風速段的風能，比傳統葉片捕捉風能力提高了5~10%。