小功率（小型）風力發電機葉片優化設計方法
創新點滴
作者：林鎖鑫等
摘要：小型風力發電機的葉片是攝取風能的關鍵部件，其氣動性能與結構性能決定著發電機自身的運行壽命與工作效率。小型風機的葉片翼型的相關設計和葉片結構形式的選擇能直接影響著風機相關性能與風能的轉換效率，它們是風機葉片最核心部分，所以，風機葉片的氣動外形相關的優化設計在小功率的風機的設計與製造中有重要地位。
關鍵詞：小型風力發電機；風輪；葉片；優化設計；風能 文獻標識碼：A
中圖分類號：TM129 文章編號：1009-2374（2015）23-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.020
目前，各個國家都特別重視地球的能源情況，電能排在能源消耗的第一位，其是根據其他的地球能源進行轉換得來的。各個國家電能的生產大多是依靠水力發電與火力發電，但是水力發電會受到自然環境製約，火力發電是用煤與重油燃燒之後生產的，會產生大量有害的氣體，對環境造成嚴重汙染。因此，近幾年來各個國家都在非常積極地發展風力發電技術。小型風機進行風能吸收比較關鍵的一個部件就是葉輪，它能直接決定小型風機風能的利用係數。風機的葉輪最為核心的一部分即為葉片，風能進行轉換的效率可以被風機葉片的形狀與風機葉片的氣動性能所影響，因此，伴隨著國內的風力發電相關技術飛速的發展，風機葉片的優化設計相關技術也有了非常大的進步。
1 風力發電機簡介
風力發電機的設計、製造和維護產業將會得到飛速的發展，尤其國內小型的風力發電機的適用範圍十分廣闊。在自然風能豐富的地區及國家電網還未能輸送的偏僻地區，我們可以采用與實際情況符合的獨立、高效的小型風力發電機來發電。
小型風力發電機比較重要的部件為葉片，對風力發電機的葉片的設計進行優化以及製造很重要。葉片是由玻璃鋼製成的複合材料，其可大大地降低發電機自身的重量，增加風力發電機自身捕風的能力，降低小功率風機的相關成本。本篇文章根據比較偏遠的北方地區相關風能資源的詳細情況，來對小型（小功率）風力發電機的葉片進行了優化設計。首先計算了葉片的直徑；其次確定了風機葉片的截麵翼型以及具體的尺寸；最後對荷載工況以及強度校核進行設計並進行了動態特性分析。
2 計算葉片直徑D
風力機的葉片設計其實主要是確定葉片數、翼型、葉片直徑、轉速、弦長、安裝角和扭角等相關參數，在這些參數被確定下來之後即可求出風機的功率係數。
小型風機的葉片翼型多是扭曲型，而且扭曲型的葉片製造相對比較困難，但是它可以提高風機的風能利用係數，小型風機能得到相對最高的風能的相對利用率。進行設計的時候需要使風機葉片截麵翼型各個地方實際進行安裝的角度互相不同，它的角度是從葉根到葉尖漸漸減小的，這樣就可以令葉片的各處每時每刻的狀態都會處在最好的迎角，這樣就能使其升力為最佳，還可以提高風力發電機葉片進行風能接受的相關效率。我們選擇了最近幾年來比較常用的NACA4412翼型。
3.1 確定葉尖速比
3.2 確定風機葉片的截麵翼型的弦長
4 設計荷載工況和強度校核
作用在風力發電機葉片上麵的荷載有三種，即氣動力、離心力、重力。它的葉片可以簡單地當作懸臂梁。根據風機葉片的氣動力、離心力和重力即能計算出葉片的彎矩、剪力和扭矩。根據薄壁的結構理論，我們就可以求出剖麵的剪應力和正應力。對於各種荷載的工況還需要區分疲勞荷載和極限荷載，尤其進行極限荷載計算時，我們還需要計算非常難遇的特殊風速，它的風速在50～65m/s，這就要求風機的葉片在極限的荷載之下需要滿足其強度的變形與穩定。