大型风轮叶片设计技术的现状与发展趋势

1前言
    能源是人类社会发展和经济增长的原动力。目前以化石燃料为主的能源结构，不仅资源难以支撑，而且对环境带来严重问题，特别是温室气体排放造成全球气候变化将带来一系列生态和环境问题。解决这一难题的出路在于开发清洁的可再生能源。目前在可再生能源中，除水电以外，风电最具有商业开发条件。风能作为环境友好型的可再生能源，它的开发和利用不仅可以缓解世界能源危机，而且还具有常规化石能源不可比拟的优势，如可持续开发，不存在资源枯竭问题，不排放二氧化碳等温室气体和其他有害物质等。地球上风能资源非常丰富，据有关调查结果显示，全球的风能储量约为2.74×10⁹MW，其中可经济开发利用的风能为2×10⁷MW，比可开发利用的水电总量还要大10倍。随着常规化石能源的枯竭和生态环境的恶化，以风电为代表的可再生能源的开发和利用受到各国政府的重视，经过最近二十多年的发展，尤其是近几年，风电产业日益成为一个迅速增长的新兴产业。在过去十年中，全球风能产业以每年30%左右的速度快速增长，且这种趋势还会持续下去。截止2006年底，全球风电总装机容量已超过74GW。
    全球风电产业的迅猛发展带动了风电机组及其上游产业链的快速发展，其中叶片是风电机组的关键部件之一，其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷，在很大程度上决定了机组的整体性能和风电开发利用的经济性。同时，叶片也是风机的核心部件，其成本约为风电机组总成本的20%^[1]。因此，世界各大主要风机制造商都非常重视叶片的设计和生产，并尽可能保持独立的设计和生产能力。
2风轮叶片设计
    风轮叶片的优化设计要满足一定的设计目标，其中有些甚至是相互矛盾的^[1,2]：年输出功率最大化；最大功率限制输出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；保证叶片结构局部和整体稳定性；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。
    叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段，其中气动设计要求满足前两条目标，结构设计要求满足后四条目标。通常这两个阶段不是独立进行的，而是一个迭代的过程，叶片厚度必须足够以保证能够容纳腹板，提高叶片刚度。
2.1外形设计
    叶片气动设计主要是外形优化设计，这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风机的发电效率，在风机运转条件下，流动的雷诺数比较低，叶片通常在低速、高升力系数状态下运行，叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成，叶片叶型的设计变得非常重要。目前叶片叶型的设计技术通常采用航空上先进的飞机机翼翼型设计方法设计叶片叶型的形状。先进的CFD技术已广泛应用于不同类型气动外形的设计，对于低雷诺数、高升力系数状态下风机运行条件，采用考虑粘性的N-S控制方程分析叶片叶型的流场是非常必要的。