大型风力发电机复合材料叶片技术及进展

    2.1　材　料
    目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GRP)。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。GRP叶片有以下特点：
①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻  叶片的重量。
②翼型容易成型，并达到最大气动效率。为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。GRP叶片可实现批量生产。
③叶片使用20a，要经受108次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料。
④GRP耐腐蚀性好。风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。它应具有耐酸、碱、水汽的性能。
    2.2　气动设计
    风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来。19世纪20年代一些著名气动学家对机翼理论做出了贡献。Betz、Glauert、Wilson等在此基础上发展了风轮气动理论。我国的气动学家对风轮气动理论也做出过贡献。
Betz采用一元定常流动的动量定理，研究理论状态下风轮的最大风能利用系数。理论假定，风轮没有锥角;风轮旋转时没有摩擦阻力;风轮流动模型可简化为一元流管;风轮前后气流静压相等;作用在风轮上推力均匀。应用动量方程，Betz推导出风能利用系数：
Cpmax=16/27≈0.593
    这就是著名的Betz极限。叶片的外形设计包括决定风轮直径、叶片数、叶片剖面弦长、厚度、扭角及选取叶片剖面的翼型。运用Betz理论可建立简易叶片外形设计方法，但目前不常用。Glauert优化设计方法是考虑了风轮尾流的叶素理论。但该方法忽略了翼型阻力和叶尖损失的影响。这两点对叶片外形设计影响较小，但对风轮气动性能影响较大。Glauert方法是目前常用方法之一。它注重外形的理论设计，根据结构要求应进行修正和气动性能的计算，以达到优化。Wilson气动优化设计理论是目前常用的方法。该理论对Glauert设计方法进行了改进。研究了叶尖损失和升阻比对叶片性能的影响以及风轮在非设计状态下的气动性能。为使风轮Cp值最大，须使每个叶素dCP值最大。理论建立了dCP与气动参数的关系式，从而得到最佳气动参数和气动外形。确定气动外形后计算气动性能，主要包括轴向推力、转矩、功率及相对应的系数。上述气动理论有其局限性，理论设计须结合风场运行验证更精确的理论应考虑3D效应及动态失速影响。