大型风机叶片的设计改进

3结构设计改进
    在复合材料叶片结构设计方面，首要的是熟悉叶片构造设计。叶根连接形式与叶片剖面形式是构造设计的重点。[-page-] 
    叶片与轮箍连接，使叶片成悬臂梁形式。作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮箍上，因此叶根的载荷最大。叶片上的载荷通过根端结构的剪切强度、挤压强度、或玻璃钢与金属的胶结强度传递到轮箍上的，而玻璃钢的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端是危险的部位，设计时应予以重视。大型风力机玻璃钢叶片根端形式主要有：金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。目前国内自主开发的大型风力机叶片大多采用预埋金属杆根端形式。为确保根端结构的安全可靠，须进行金属杆与玻璃钢壳体结合强度的模拟试验。如果胶结工艺技术高，可采用金属法兰与叶根复合材料柱壳胶结，减轻根部的重量，使叶片外形流畅。
    叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。主梁剖面有箱型形式或双槽钢形式，或D形。在后缘空腹处，采用夹层结构。叶片上大部分弯曲荷载由主梁承担，蒙皮起气动外形作用承担部分剪切载荷。这种剖面构造，既可以减轻叶片重量，又能提高叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。叶片蒙皮通常采用毡或双向织物增强的层板结构，也有用夹层结构，以提高蒙皮的强度和刚度。主梁用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度。夹芯材料可采用PVC泡沫或轻木。这些芯材有较高的剪切模量，组成的夹层结构有良好的刚度特性。传统叶片的纤维全为玻璃纤维，由于现在的叶片越来越大，越来越重，为减轻叶片重量，提高强度与刚度，其中一种改进措施是主梁部分或全部用碳纤维，蒙皮用玻璃纤维。这样可使结构重量有明显的下降。据国外专家分析指出，对于兆瓦级大型风力机叶片，采用碳／玻混杂纤维增强，可以降低叶片重量30％，减少叶尖挠度18~29%。但其成本有了一定的提高。目前由于碳纤维价格高，产量低，如果碳纤维能形成较大规模的生产，降低价格，碳纤维必将在兆瓦级大型风力机叶片生产中得到广泛应用。
    叶片是风机的主要部件之一，要获得高效率的叶片，除了设计出优良的叶片外形之外，叶片性能的提高还可以通过气弹剪裁来改进。弹性剪裁可以通过两种途径来实现，第一种是将铺层输入，比如铺层材料，铺层方向作为设计参数。第二种方法是将叶片截面刚度弯扭耦合作为设计参数；第一种方法显然过于复杂，因为叶片铺层最多的达到上百层，第二种方法在风机叶片设计中得到广泛应用。[-page-] 弯扭耦合是工程中常见的一种变形现象，即结构在发生弯曲的同时还伴随着扭转的产生。但在航空领域人们开始利用复合材料的弯扭耦合，拉剪耦合效应，提高机翼的性能。而在叶片结构上，也引人弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是前面所说的气弹剪裁。通过弯扭耦合设计，降低了叶片疲劳载荷，并能优化功率输出。叶片的优化设计是一个不断改进的过程。其设计的优化目标从最开始的叶素功率输出最大化，到年输出功率最大化，到现在的性价比最优化。现在出现了叶片采用“柔性”理念设计，叶片结构刚度有所降低，在外形上与传统叶片后缘线性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并最大限度捕获所有可用风速段的风能，比传统叶片捕捉风能力提高了5~10%。