大型风力发电机复合材料叶片技术及进展

    2.3　风力机复合材料叶片构造设计
    设计GRP叶片的构造时主要考虑叶片根端连接与叶片剖面形式。叶片与轮箍连接使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的荷载通过叶片根端连接传到轮毂上，因此叶根的荷载最大。根端必须具有足够的剪切强度、挤压强度，与金属的胶结强度也要足够高。上述强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端设计应予以重视。大型风力机的GRP叶片根端形式主要有金属法兰(法兰与叶根螺栓连接或胶结)、预埋金属杆及T型螺栓。金属法兰与叶根柱壳胶结，而不是传统的螺栓连接，这可减轻根部的重量。大型风力机的GRP叶片剖面采用蒙皮与主梁构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形同时承担部分弯曲荷载和大部的剪切荷载。蒙皮由双向玻纤织物增强，以提高蒙皮的剪切强度。蒙皮的后缘部分采用夹层结构，以提高后缘空腹结构的抗屈曲失稳能力。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部弯曲荷载，它采用单向程度较高的玻纤织物增强，以提高主梁的强度及刚度。
    2.4　结构设计
    叶片结构设计主要考虑制订荷载规范、荷载计算、极限强度及疲劳强度验算、变形计算、固有频率计算和屈曲稳定计算。作用在叶片上的荷载主要有惯性力和重力、气动力、运行荷载。荷载工况要考虑正常设计工况和正常外部条件、正常设计工况和极端外部条件、故障设计工况和允许的外部条件、运输安装和维修设计工况等组合工况。对每种荷载工况要区分极限荷载与疲劳荷载。对于极限荷载，至少要计算50a一遇的极端风速，要求叶片在极限荷载  下满足强度、变形、稳定条件。叶片的疲劳荷载较复杂，规范提供了简化疲劳荷载谱。根据叶片材料的S N曲线，应用Palmgren miner线性累积损伤准则进行叶片的疲劳强度计算。
    风力机叶片的固有频率是重要的动态性能参数。作用在叶片上的气动荷载是动荷载，其频率为风轮转速的整数倍。对于3叶片风力机组，频率为转速3倍的动荷载分量最大。为避免叶片共振或产生较大的动应力，规范要求叶片的一阶频率高于3倍转速频率的20%。通过复合材料铺层设计及气动外形的优化使叶片的频率满足动态性能要求。叶片的频率计算较复杂。叶片是变截面的，各截面的扭角是不同的。振动时各个截面可分解为两个方向的位移，产生了两个方向互相耦合的弯曲振动，计算时应考虑耦合影响。叶片的弯曲耦合振动方程：
    (EIyu″+EIxyv″)″-mw2u=0
    (EIxyu″+EIxv″)″-mw2v=0
    上述方程可采用数值方法求解。大型风力机叶片采用空腔结构形式，在气动荷载作用下叶片局部受压区域可能发生突然损坏，称为曲屈失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。为此本设计采用夹层结构。芯层和面层的厚度可采用复合材料夹层结构稳定理论进行计算。复合材料叶片的设计计算可采用经典的层合梁理论，叶片简化为悬臂梁。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计应采用有限元方法。有限元强大的建模和结构分析功能适于叶片的应力、变形、频率、屈曲、疲劳及叶根强度的分析。叶片的构造较复杂，由外壳、主梁、夹层等构件组成，模型建立较困难。目前有叶片专用前处理软件，简化了叶片的结构分析。