风机叶片的结构优先设计方法

风机叶片的结构优先设计方法

风轮叶片制造技术 2008-04-25 08:23 阅读519 评论0

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风机叶片的结构优先设计方法

Structure-first Design Approach for Wind

Turbine Blades

作者/Authors:

Jim Platts,英国剑桥大学制造工程系., Dept of Manufacturing Engineering , Cambridge University, UK

齐海宁, Haining Qi,博能瑞尔科技（北京）有限公司, Beijing Ryle Tech Ltd. CHINA 100062 董雷, Denny Dong,博能瑞尔科技（北京）有限公司, Beijing Ryle Tech Ltd. CHINA 100062 赵新华, Robin Zhao,北京可汗之风科技有限公司, Beijing KhanWind Tech Ltd. CHINA 100084 关键词：

叶片结构设计，叶片形状设计，结构优先设计方法，结构优良的叶型，竹层积材叶片，设计民主化 Key Words:

Blade Structure Design, Blade Aerodynamic Design, Structure-first Design Approach, Good structural shape of blades, Laminated Veneers Bamboo Blade, Design democracy 摘要：

传统的风机叶片设计过程通常包括两个阶段：先进行叶片形状设计，然后是叶片结构设计和材料的选择。这种先后顺序的结果通常是较优的形状设计伴随较难实现的结构设计或较昂贵

的材料。而同时优化叶片的形状、结构和材料又通常会导致较大的计算量。

基于对叶片设计和制造过程尤其是对叶片结构设计过程中主导因素的理解，我们提出风力发电机叶片的结构优先的设计方法。在材料选定的基础上，对叶片结构设计结果进行比较分析，以给出“结构优良叶型”的规则，然后采用这些规则进行叶片形状设计以避免较难实现的结构。

我们与剑桥大学和国际竹筒组织合作，致力于将该设计方法应用到生产实践，采用中国的毛竹资源，用较小的形状设计上的折衷换取结构性能的大幅提升，来制造更优性价比的风机叶片。 Abstract:

A successful blade design must satisfy a wide range of objectives, some of which are in conflict. The traditional design process can be divided into two stages: the aerodynamic design, then the structural design and material selection. As a result, the priority of the aerodynamics design would lead to a local-optimized airfoil with a bad structure hard to carry out or expensive materials. While optimizing the structure, material and dynamics at the same time would lead to a huge computing.

Based on the understanding of the blade design processes and manufacturing process, especially the main factors of the structure design, Structure-first Blade Design Approach is ready. Based on the material selection, after comparing and analyzing the difference between blade structure designs, rules for good structural shape of blades are raised. After that, aerodynamics design is carried out with good structural shapes only so that to avoid hard-to-make blade structures.

The collaborative developments with the University of Cambridge and ICBR (International Center for Bamboo and Rattan) together are bringing this design approach to China to get large increase of the structural performance at little cost of aerodynamic performance, applying Chinese bamboo for blade manufacturing, and manufacturing more cost-effective wind turbine blades.

1 风机叶片设计方法概述

风机叶片设计过程通常包括两个阶段：叶片形状设计和叶片结构设计。按照以上两个过程在设计中的实施顺序和优化目标，现有的风机叶片设计方法大致可以分为以下3种：

1.1 传统的设计方法：先形状后结构[1]

先形状后结构的设计方法是先进行形状设计，然后在最优的形状设计基础上进行结构设计。叶片形状设计的优化目标是最大化能量输出，在设计寿命一定的前提下，该目标记为max AEP (Annual Energy Production)；而叶片结构设计则是在满足应力/振动/疲劳等约束的前提下，选择合适的结构、材料和加工工艺，以实现成本最小化，该目标记为min TCO (Total Cost of Ownership)。

该方法的优点是将叶片形状设计和结构设计解耦，降低了设计的复杂度；缺点是由于形状设计先于结构设计，则在优化的早期过度的强调了形状的重要性，虽然获得了最优的形状设计，但却伴随着难以实现的结构设计和较昂贵的材料（如碳纤维）。

1.2 折衷的设计方法：气动性能的牺牲换取结构优化[2]

针对传统的设计方法的缺点，设计人员在该设计方法的基础上进行了改进，用折衷(Trade-off)的办法来处理叶片结构设计和形状设计的矛盾。通常的做法是：首先按照先形状后结构的方法进行设计，然后针对结构设计结果中的瓶颈参数，适当的放松对叶片形状设计的优化要求，通过在最优的形状设计的附近进行小范围的调整来达到以少量的性能牺牲换取大量的成本降低。但该方法仍然是围绕叶片形状设计的最优结果进行的局部寻优过程，并且该性能牺牲未必能确保该优化过程在有限次内收敛。

1.3 全局寻优的设计方法：同时进行形状设计和结构设计

[3]

为了达到更加接近于全局最优的设计结果，设计人员提出了将叶片的形状设计和结构设计同时综合考虑的设计方法。他借助CAD和高性能计算等手段，同时优化叶片的结构和形状，使叶片设计最大限度的接近全局最优。该方法的优化目标是使度电成本COE（Cost of Energy）最小化。该指标是业界公认的风机优化设计指标，如（1）所示，COE兼顾了MaxAEP和MinTCO两个重要指标，通过适当的修正，它将更适用于风机叶片的设计。

COE = Cost / Energy =TCO / AEP*Years （1）

虽然通过该方法可以获得最接近于全局最优的设计结果，但是这是以巨大的计算量作为代价的。由于叶片的形状设计与风力资源情况、风轮的控制策略以及电机的设计有较强的关联，而叶片的结构设计则需要考虑各种结构、材料和工艺的选择，这样将叶片的形状设计和结构设计进行整合，意味着将风机设计几乎全部工作整合在一起，带来的巨大计算量大大减少了该方法在工程设计中的应用。

通过对以上已有的风机叶片设计过程和优缺点的分析，我们不难看出：风机叶片设计过程的难点在于形状设计和结构设计之间的关系的处理，或者称叶片设计过程的民主化问题（Design democracy）[4]，即如何在形状设计和结构设计众多的设计参数中合理的选出优先的优化参数和优化目标。形状设计和结构设计是相互制约的两个过程，如果形状设计在完全不考虑结构设计的情况下进行，其结果很可能无法在结构上得以实现；而如果在形状设计阶段过多的考虑结构设计，则又会因计算复杂度的激增而影响工程可行性。

本文在对原有三种设计方法研究的基础上，综合考虑设计结果的优化、设计难度、运算量、工程可行性、软件实现等因素，最终提出了结构优先的设计方法。

2 结构优先的叶片设计方法

结构优先的叶片设计方法的主要思路是：通过给叶片的形状设计制定以叶片形状作为描述参数的叶型规则，将那些对叶片形状设计有重大影响的叶片结构设计相关的决策分析工作，提前到叶片的形状设计之前进行，以便在叶片的形状设计过程中克服结构设计可能存在的主要难点，从而获得更接近全局最优的设计。

该方法是以传统的先形状后结果的设计方法为基础的，其设计步骤如下：

1) 设计前提：明确叶片设计的基本的前提，包括材料、工艺、风力资源、工作环境等，尤其是要明确该前提与现有设计之间的关系；

2) 结构分析：基于结构分析，获得在以上前提条件下“结构优良叶型”的特征； 3) 形状设计：将“结构优良叶型”的特征用叶型参数表达，作为形状设计的约束条

件，进行叶片形状设计；

4) 结构设计：以叶片形状设计的结果为基础，进行叶片结构设计； 5) 结果调整：对设计结果的确认和调整。

3 案例：材料的革新——竹层积材

3.1 设计前提：新材料的引入

在进行叶片设计的过程中，材料的选择对于降低成本，提高性价比是很重要的步骤。由于传统的设计过程第一步只考虑叶片形状设计，却忽略了叶片形状设计给结构设计和造价上带来的困难，因而不得不采用性能优良但价格昂贵的碳纤维作为主要材料。

碳纤维昂贵的价格和目前的供应不足不利于叶片结构设计最小化成本的优化目标，研究人员已经开始探讨关于碳-玻璃混合纤维(Carbon Glass fiber hybrid)的可能性[5]，除了广泛采用的碳纤维和玻璃钢叶片，天然木材也是叶片制造的可选材料。

目前世界上有几千片兆瓦级木质复合材料叶片（以下简称木质叶片）正在运转，且工作情况良好。木质叶片生产工业于1986年由Jim Platts在英国怀特岛首创，1993年NEG Micon首次在兆瓦级风机中使用，2004年Vestas开始使用。木质叶片除了体现出最佳的重量价格比与能耗产出比之外，木质叶片生产技术还降低了生产设备费用和人工费用，提高了生产速度，降低了生产能耗，提高了生产中工人的健康与安全因素。由于使用复合材料比例较小，木质叶片对石油价格浮动的依赖性也相对较小。

目前木质叶片所选用的木材主要是芬兰桦木(Finland Birch)；而全世界唯一比芬兰桦木更适合做叶片原材料的植物是中国的竹材(Bamboo)。相对于木材，竹材拥有更好的结构性能与更快的生长速度，而且竹材是我国的优势资源，在我国产量充足，这将进一步降低叶片的价格并提高结构性能。通过与国际竹藤网络中心合作研究竹材力学性能、疲劳性能、干燥及粘合性能，我们进一步开发了以竹复合板材为主要结构体的叶片制造工艺。

本案例即以竹材的引入作为结构优先设计的前提。

3.2 结构分析

木质叶片/竹质叶片可以作为优良的主体支撑材料，与碳纤维比较，最大的优势在于提