朱文雯

【摘 要】针对于风力发电机而言，叶片是该设备的重要部件，在设备运行过程中，通过叶片实现风力发电机能，直接将风能转换为机械能。结合当前我国风力发电机的工作情况来看，较好的风力发电机气动性能较好，进而获得更佳的经济效益。在风力发电机运行过程中，叶片本身的气动性能是发电机本身气动性能的一种表现，由此可见，叶片设计对于风力发电机有着十分重要的影响。本文主要内容探究了复合材料风力发电机叶片结构优化设计，希望能为我国风力发电机的优化升级有所启示。

【关键词】复合材料;发电机;叶片结构;优化设计;探析

引言

当前，在全世界范围内都面临着能源危机这一问题，生态环境的日益恶化使得人们愈发重视环境问题。清洁风力发电作为一种可再生的新能源技术，近些年来取得了前所未有的发展。各国在发展过程中不断针对风力发电问题探究出了新材料与新技术，加快了风力发电技术的研发工作。在风力发电过程中，风力发电机叶片能够对风能进行吸收，进而将其抓换为机械能。在此过程中风力发电机的叶片数量、翼型以及尖速都对风力发电质量与效率有着直接影响。

1风力发电机相关概述

风能作为一种可再生的绿色能源，具有无污染、可再生等特点，基于此，在当前全球环境日益恶化、资源短缺的情况下，各国都愈发重视风能的利用。风力发电机作为可以将风能转换为机械功的设备，在运行过程中，机械功会带动设备中的转子旋转，而后输出交流电的电力设备。通常情况下，风力发电机由储能装置、塔架、风轮、调向器等组成。根据风力发电机的运行情况来看，其工作原理较为简单，设备中的风轮会在风力的作用下进行旋转，此时风轮将风的动能转化为了风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下便会旋转发电[1]。从广义的角度来看，风能也是太阳能，我们也可以说是风力发电机以太阳为热源，以大气为介质的热能利用发电机。在能源供应日益紧张的情况下，风力发电机在国家政策的支持下实现了快速发展，我国风电设备制造业近些年来迅速崛起，目前已经成为全世界范围内风电最为活跃的场所。

2项目介绍

2.1项目背景

本文以R1730叶片工艺优化质量改善项目为例，该项目立项时间为2017年3月，项目结束时间为2017年10月。在对风力发电机设备进行优化中发现，发电机叶片部位存在有经常发白、浸渍不良、产品不稳定等问题，并且在叶片注树脂管下还存在有发白、压痕等现象。在该项目中，叶片占据总项目的一大部分，总体成本过高，为项目优化运行带来諸多影响[2]。

2.2项目疑难点

根据对风力发电机的检测结果来看，在优化风力发电机叶片的过程中，主要存在有叶片根部处塞片真空灌注不透、树脂灌注管下出现较多的压痕机发白、梁帽原来采用预制，现在使用一体灌注降本具有加大灌注难度等问题。此外，还存在有叶片内包边原先采用预制再胶接，一体预制增大浸渍不良风险。这些问题的出现都为风力发电机叶片优化工作带来影响，只有将这些问题有针对性的进行检查，最终才能够确保风力发电机叶片结构优化升级，为后期风力发电系统高效率运行打下坚实的基础[3]。

3复合材料风力发电机叶片结构优化设计

结合当前我国风力发电系统的运行情况来看，发电机叶片结构在整个系统中占有十分重要的作用，直接影响了系统的运行质量与运行效率，由此可见对风力发电叶片结构进行优化的重要性。笔者结合自身多年经验，从以下内容详细论述了有关复合材料风力发电机叶片结构优化设计。

3.1优化设计方法

在对复合材料风力发电机叶片结构进行优化设计时，设计人员需要充分考虑整个风力发电项目的实际情况，结合当地情况，从叶片材料、叶片载荷、叶片剖面结构等方面入手，对风力发电机叶片结构不断优化，以便提高风力发电机的运行质量与效率，推动风力发电项目顺利开展。

3.2优化设计数学模型

3.2.1复合材料风力发电机叶片的材料选择

在选择风力发电机叶片材料的过程中，需要充分考虑到叶片材料的可靠性、安全性以及物理特性等，确保风力发电机叶片在复杂的环境下都能够正常运行。针对于复合材料风力发电叶片而言，主要包含有碳纤维、玻璃纤维两种风力发电机叶片。其中，玻璃纤维的风力发电机叶片具有可设计性强、重量轻、性价比高等特点，在传统风电叶片中应用较为广泛。随着风力发电项目探究的不断进步，有关碳纤维复合材料的发电机叶片在容量需求较大的风力发电机项目中逐渐被应用。两种复合材料之间各有优缺点。相较于玻璃纤维而言，碳纤维的优点更加明显。其他条件相同的情况下，碳纤维的叶片质量明显低于玻璃纤维的叶片，满足了风力发电设计中轻量化的要求。但是因为碳纤维的材料价格较高，甚至为玻璃纤维叶片的十倍，不能满足商家的利益需求，因此，那么叶片轻量化程度较高，在大多数风力发电项目中仍旧选择的是玻璃纤维的发电机叶片。

3.2.2叶片剖面结构设计

在风力发电机叶片剖面结构的基础上，需要对剖面结构的相关参数进行运算。叶片剖面的厚度、弦长以及截面形状的不同，会使得发电机叶片剖面结构几何特性也会发生相应的改变。具体情况如下所示，下图为叶片翼型剖面图。

在对风力发电机叶片进行优化时，可以按照以下公式进行运算。

3.2.3风力发电机叶片铺层设计

叶面铺层设计可以说是整个风力发电机结构设计的关键。在此过程中，设计人员需要结合实际情况，在原先铺层方案的基础上对叶片设计不断优化，使得叶片能够充分发挥自身结构特性。针对于风力发电机叶片而言，铺层方法的不同会使得叶片最终的运行结果也不相同，甚至一点距离都会造成较大的影响。产生这一现象的主要因素在于风力发电机叶片铺层内部较为复杂。基于此，设计人员要严格把控优化设计的每个环节，为风力发电机的运行打下坚实的基础[4]。

3.2.4叶片载荷分析

在现实生活中，叶片载荷本身的工作状态以及自然环境不同，那么所承受的载荷也会有所不同。针对于风力发电机的叶片而言，常见的载荷划分有气动载荷、重力载荷以及离心力载荷。工作人员只要按照实际情况，结合工程项目所处区域的环境合理设计叶片载荷，保证叶片可以承受各方面的载荷。确保风力发电机在后期可以正常运行。

3.2.5风力机叶片结构设计

当风力机在较为复杂的自然环境中运行时，不仅要适应当地的气候，还需要适应当地的风力条件。叶片身为风力机的重要组成内容，在运行过程中需要承受多方面的载荷，叶片本身的结构以及强度、稳定性对于风力机的运行起着十分重要的作用。设计人员在设计风力叶片的过程中，首先需要对风力机叶片展开分析，其中包含有叶片的静强度分析、模态分析、稳定分析等内容，以便能够得出具体参数，为风力机叶片的制造提供强有力的信息支持。

3.2.6叶片蒙皮优化

根据风力发电机叶片的运行情况来看，叶片在离心载荷、重力载荷以及气动载荷的作用下，处于不同位置会发生不同变化。通常情况下，长约12.5m的叶片，应力主要集中在0～9m处，设计人员需要注意对此部位的叶片蒙皮进行优化，以便能够提高叶片质量，为风力发电机后续运行提供保障。

3.3优化设计程序

在确定风力发电机運行功率的情况下，如何能够获取更大的风能，使得发电效率得以提高是目前我国风力发电项目所追求的目标。在风力发电机运行过程中，发电机的捕风能力与发电机叶片设计有着直接联系。发电机叶片可以说是风力发电项目的最核心技术，因此对于发电机的叶片要求较高。这一因素也是导致叶片技术是风力发电发展的关键因素，只有对其不断优化，最终才能促使风力发电叶片的复合材料得到有效应用。总的来说，叶片优化程度要以材料选择、结构设计等顺利逐一开展，提高叶片整体质量[5]。

设计人员在优化风力发电机叶片设计的过程中，首先要合理规划叶片优化设计程序，对风力发电机的年能量输出进行全面掌握。风力发电系统的本质是风能转换系统，在转换过程中不可避免会出现能量损失现象，因此在优化叶片的过程中，要设计出具有高吸收率的叶片，进而能够更好的利用风能，提高风力发电系统的运行质量与效率[6]。

4解决疑难方案

根据当前我国社会发展情况来看，能源在一定程度上体现了国家本身的竞争力，一个国家的能源是否充足，决定了这个国家国力的强弱。尤其是在煤炭、石油等不可再生资源逐渐减少的情况下，开发新能源成为各个国家发展过程中的主要任务。风能身为一种可再生资源，有关研究在我国起步较晚，与发达国家存在着诸多差距，因此我国更要对此引起重视。在当前我国风力发电系统运行时，风力发电叶片难免会遇到塞片真空灌注不透等疑难问题，针对这一问题可以通过选择预制塞片的方式，或者通过打孔工作增加树脂的流动性，不断优化叶片尺寸，使其能够符合风力发电系统的运行要求。此外，还可以通过树脂灌注管下方垫PP板，增加树脂的流动性及避免压痕，减小应力集中。叶片的梁帽采用一体灌注，导流网处切割导流槽，加双层导流网。工作人员需要注意的是在灌注前的树脂增加抽真空，减少气泡，采用真空脱泡搅拌设备，使得风力发电机叶片优化工作得以顺利开展，为风力发电系统后续得以高质量运行打下坚实的基础[7]。

结束语

综上所述，结合当前世界发展趋势来看，未来各个国家之间的竞争便是能源的竞争，能源是否充足决定了国家的强弱。风能作为一种可再生能源，逐渐被世界各国重视，在我国政策的扶持下，风力发电行业近些年来得到了快速发展。叶片身为风力发电系统中的重要组成部分，是将风能转化为机械能的重要的零件，直接关乎着风力发电系统的运行质量与运行效率，基于此，设计人员在对叶片进行优化时，需要充分考虑到叶片的材料、结构等内容，为后期风力发电系统顺利运行的打下坚实的基础。

参考文献：

[1]杨海如，马祥禹，喻国铭，等.碳纤维复合材料风力发电机叶片振动特性研究[J].玻璃钢/复合材料，2018，000（009）：70-74.

[2]吴彦波，黄有慧，张述强，等.后缘阻胶海绵在复合材料风电叶片上的应用效果研究[J].天津科技，，046（007）：33-35.

[3]柴红梅，袁凌，李颖，等.复合材料风电叶片先进制造技术研究现状[J].玻璃钢/复合材料，，000（002）：102-107.

[4]郭振兴，梁志伟.风电用新型树脂基复合材料摩擦片实验研究[J].机械工程师，2018，000（011）：84-86.

[5]乔小亮.风电叶片复合材料固化工艺优化研究[J].中国化工贸易，2018，010（016）：61-61.

[6]曾旭升.大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术[J].区域治理，2018，000（011）：222-222.

[7]张述强，吴彦波.复合材料风电叶片腹板型线测量及调整方法[J].天津科技，（7）：19-20.

（作者单位：美安士工业科技（上海）有限公司）