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大型风电叶片结构设计方法研究摘要：随着绿色能源的推广与利用对风电叶片结构设计也提出了更高的要求。作为风电机组的主要部件叶片的设计方法一直是风电机组研发的关键。本文主要对大型风电叶片结构设计方法进行探析。关键词：风电叶片；结构设计；方法前言近年来我国的风电设备在技术水平与创新方面已有了突破性的成就但与国外发达国家相比仍存在很大差距尤其在大型风电叶片结构设计方面。因此如何完善设计方法将是未来提高风电机组核心技术的必然途径。1.风电叶片设计的基本概述1.1风电叶片设计风电叶片设计的过程实际是对叶片参数的选取与确定的过程其中的参数对叶片的性能起决定性的作用。一般对风电叶片进行设计主要目标在于：第一通过较好的空气动力外形获得风能。第二结构的强度与刚度能够承受各种荷载。第三其结构动力学特性较好防止出现共振与颤振。第四叶片重量的降低使制造成本减少。设计的过程主要分为对气动与结构的设计。其中气动设计过程中主要对叶片几何外形做出最佳的选择实现年发电量最大的目标而结构设计主要对叶片材料的选择、叶片结构形式以及设计参数进行分析使叶片的强度、刚度及稳定性等目标得以实现。1.2叶片外形设计的主要方法风电叶片设计的主要任务是确定气动外形。叶片外形作为结构设计的基础对结构设计也有一定的限制。一般对气动外形的设计的方法主要包括基于动量叶素理论的简化设计方法、Glauert方法、以及维尔森方法。基于动量叶素理论的简化设计方法通常用于对风轮轴线截面与叶片产生的气动力并以此确定叶片参数与翼弦的关系。而Glauert方法主要对风轮后涡流流动进行考虑初步的设计、分析与修正气动性能存在一定的局限性但在设计过程中属于较好的指导方法。维尔森方法则是对Glauert方法的改进是当前叶片启动外形设计常用方法之一[1]。1.3结构设计结构设计的基本要求在于动力学特性、设计寿命、极限强度设计条件以及刚度设计条件与叶尖变形。在叶片材料方面通常选择铝合金、玻璃钢、碳纤维增强复合材料等。叶片的内部夹芯结构一般以轻木与PVC为主而且主体结构中避免使用钢材只能将其作为叶片结构的连接件。2.叶片承载结构设计2.1叶片构造设计分析叶片结构设计主要任务是叶片的构造设计以受载荷情况为依据确定结构的形式。如果叶片结构属于空腹薄壁受载过程中便出现局部失稳或变形过大的情况因此在空腹内需添加夹芯材料或者设置加强肋以保证总体强度与刚度的提高。叶片的制造往往使用叶片上下壳体以及抗剪腹板独立成型的方法然后再将抗剪腹板与上下壳体粘结形成完成的叶片。为提高叶片整体强度叶片上下壳体在加工时将同时进行铺设纤维与灌注但实际设计过程中往往将叶片的上下壳体单独设计从而减小设计难度保证叶片的性能。对叶片各部分材料以及构造形式确定之后需将主梁在叶片内部的位置与宽度等参数进行确定但注意遵循一定的原则：首先叶片厚度较大处布置主梁保证抗弯刚度；其次启动中心、变桨中心与截面中心应保持靠近使重力作用下的扭矩减少；最后结构设计中应以统一的形式表达参数使后续的计算更为方便。2.2复合材料叶片强度设计符合材料叶片设计主要包括蒙皮铺层设计与主梁帽铺层设计。叶片蒙皮可进行气动外形的提供也具有承担扭转力矩的作用。当叶片腹板影响被忽略时叶片可充当闭口薄壁梁。这时需要假设一定的条件对蒙皮厚度进行计算。另外主梁帽铺层设计一般叶片承受弯曲荷载时主梁帽发挥重要的作用。在计算过程中需以叶片刚度条件为基础对主梁帽厚度进行计算。如果蒙皮厚度、主梁位置、材料参数、铺层参数等在确定的情况下可直接进行逐层求和计算出截面的实际刚度并根据铺层数以及计算结果确定主梁铺层数。2.3基于叶片截面位移的刚度设计基于叶片截面位移的刚度设计其过程主要为：首先设定条件；其次截面位移的求解；再次以截面位移为依据对截面抗弯刚度进行求解；最后以截面抗弯刚度为依据反求截面形状并对叶片抗弯结构的尺寸进行确定。3.结构与气动的平衡设计3.1叶片气动与结构的影响因素叶片长度能够确定的条件下叶片厚度、宽度与扭转情况都会对叶片性能产生影响。从翼型厚度影响因素分析因为风电叶片可理解为具有厚度的壳体而其厚度却受气动翼型影响一般厚度会从叶根到叶尖减少。因为大型风电叶片需要对巨大的极端载荷进行抵抗所以叶片的厚度一般较大因此在设计过程中应注意把握叶片翼型的厚度。另外叶片结构设计中影响比较大的还包括叶片的实度与扭角。实际的计算过程中实度应取在合理范围内。同时要把握扭角与桨距角和变桨位置的关系。3.2变桨中心的确定及其对外形与结构的影响从对叶片受力情