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【文字实录】WINDnovation:多兆瓦级风电叶片的设计挑战和解决方案

2015-04-21 来源:中国风电材料设备网(独家) 浏览数:1837

    
    这边是24.5米的叶片,它的转子荷载是375瓦每平米,看起来是常见的数据,但是10年后一级的叶片荷载和它差不多,这样才能够更好的利用叶片的长度。这是09年44米的3兆瓦叶片,可以看到它的荷载也得到了增加,这是三级的叶片,正如我之前所介绍的,它比之前的更长,而最近是55.2米的叶片,在中国也进行了生产,我们可以发现它的荷载并不是很高。形状在过去几年中发生了很大的变化,这对我们设计师来说意味着什么呢?你可以想象一下气动的外形、结构材料都需要考虑,我们发现细长的叶片在开始的时候失速非常近,所以很难控制因为失速的力度非常小,意味着在设计阶段就要考虑到叶片的设计,才能正常运转,并且在前缘后缘位置固有的位置非常小。
    从CUV中我们知道叶片很细长,它会受到气动的力,目前为止我们还没有触及到这个限值,目前我们都是进行仔细的计算。这是气动方面的设计,我们希望能够和风机的设计商一起进行叶片的设计,你会看到我们首先听取客户的要求,包括风级,轮毂的连接,额定功率,设计原理等等,我们会检查叶片的形状,还有能量厂,还有负载操作,气动的性能,看看客户的要求是不是可以满足,再看一下复合结构的评估能不能满足客户的需求。
    到目前为止浆液是正昌(音译),这是滑翔机正昌的现象,你可以看到风的情况。大家可以想像,叶片如果这样正昌的话,可能几个小时之内叶片就会断裂,所以我们必须要避免正昌的断裂,这只测试的飞行,我们故意造成这种正昌,不然对飞行员是很大挑战。我们还会进行机翼的分析,我们进行了比较,这些工具都不可能是100%完好的,所以我们采用了最先进的叶片软件,我们采用的是75的叶片,我们会模拟正昌,看看叶片的影响,比较所有的结果,我们会用EPU软件,比较软件分析的结果。
    大家可以想象叶片的外观都挺好的,但是因为叶片很细长,内部空间非常小,没有办法放下叶片的结构,如果叶片很细长的话,它承载的结构,使用的材料就越来越小,所以你必须要考虑一下它的形状,有些时候你要实现这样的形状,或者是实现特定的结构可能只能够牺牲性能。同时叶片如果细长的话,如果要放在现在的机器让,它叶尖到塔筒的距离非常长,所以我们设计的时候必须要灵活,你会看到77米的叶片是6兆瓦的风机。
    对于结构的方面,过去几年我们的分析工具有极大的提升,一开始情况很难,现在可以分析每层的铺层,各个方向的铺层,我们会和认证的机构合作,你会看到承载的叶量,比如这边你就可以看到有一些参数已经被超越了,所以我们必须要修正这个参数,这样才使这个参数降低到1,不然没有办法获得设计的认证。所以我们积累了大量的经验,因为我们必须实现轻量化的叶片,所以我们只能够不够提升,调整我们的参数,你会看到轻量化的趋势。
    这里显示了质量负荷的关系,你会看到对于小型的叶片来说,你会看到它质量的负荷和极致负荷之间的比,这个之间的关系是线型的关系,叶片质量越轻,负荷就会越,其他风机的部件也会越轻,所以轻量化应该是大型叶片设计的主动驱动因素。
    我们今天早上听到很多材料的介绍,也听到设计师对材料方面的介绍,我觉得主要的材料还是纤维机体,还有新材,其他就不是那么重要了,直到2000年之前,我们主要有两种材料:一种是低色散的材料,还有正负45度的纤维。当时我们浆液主要是采用这两种,但是现在你会看到我们的机器更加复杂,每一种材料都可以根据负荷的要求来进行使用。我们可以根据它的位置来使用不同的材料,这就需要非常复杂的供应链,在我们设计当中,我们现在采用20种标准的材料,其中5种是特殊的设计,我们会根据材料的选择,可以根据要求来调整材料。
  附件:Multi Mega Watt Wind Power Blades Design Challenges and Solutions

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