登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
风机叶片作为风电机组的核心部件之一,其性能质量直接影响整体机组的效率,设计合理的叶片是保证风电机组正常稳定运行的重要因素,另一方面叶片制造的成本占到了风机设备的20%—30%,因此提高叶片的性能降低叶片的制造成本,一直是风电技术研究发展的重要课题。本文将从风机叶片的气动设计、结构设计和材料的角度,总结和评估风机叶片技术发展的历程,探索叶片技术发展的关键,并分析今后发展的方向。
1风机叶片的气动设计
风机叶片的气动设计包括外形设计及气动性能计算,气动外形影响叶片把风能转化为机械能的效率,气动性能是评价叶片外形设计的关键指标。
1.1气动设计理论
风力机气动理论是在机翼气动理论基础上发展而来的。19世纪20年代一些著名气动学家Betz,Schmitz, Glauert, Wilson等在机翼理论的基础上发展了风轮气动理论,包括动量叶素理论和涡尾迹理论。
动量叶素理论实际上是动量理论和叶素理论的综合,动量理论设想风轮处于理想的状态下工作,假设风轮没有锥角,旋转时没有摩擦力,不考虑涡流损失等,然后通过引入轴向诱导因子得出轴向力和功能系数表达式,计算出理想状态下最大风能利用系数为0.593,即著名的Bet z极限,该方法适合简单的外形设计;叶素理论将叶片沿展向分成若干个微段,称为叶素,并且假设叶素之间相互独立,通过各叶素的气流不相互干扰,即将叶素看成二维翼型,通过沿展向的积分求得叶素上的力和力矩,从而求得功率,但叶素理论没有考虑叶尖旋涡造成的功率损失。Schmitz理论考虑了叶片周向涡流损失,设计结果相对准确一些。Glauert首先采用风轮尾流的叶素理论对叶片外形设计,建立了动量叶素理论的雏形,最初的设计忽略了叶片翼型阻力和叶尖损失的影响,后来发现它们对风轮气动性能影响较大。为此Wilson研究了叶尖损失和升阻比对叶片气动性能的影响,对Glauert设计方法进行了改进,形成了经典的动量叶素理论,之后动量叶素理论一直被广泛用于风力机叶片气动性能的计算,并不断地被修正完善。
涡尾迹的理论认为风力机叶片上的诱导速度和升力是由尾流中的自由涡流产生的,可根据附着涡、尾涡和附着涡量变化引起的脱落涡来建立气动力计算模型。代表性的模型有Gohard提出的自由尾涡模型,KotU"的刚性尾涡模型,以及HumesTM的半刚性尾涡模型等!司。涡尾迹理论最能体现风轮涡尾迹结构,适合用于风力机复杂流场的模拟,并能给出叶片载荷的详细分布。随着计算机技术的发展,计算流体力学方法(CFD)在风力机气动性能数值模拟方面越来越受到重视。CFD方法是根据气动理论建立不同的计算模型,通过计算机数值模拟,分析和显示风力机旋转过程中流场发生的各种现象,预测叶片的气动性能。CFD方法由传统的二维动量叶素理论方法发展到现在的求解三维N- S方程的全湍流计算方法,文献对国内外CFD方法的研究现状进行了评述,指出目前还没有一种模型能用于所有翼型的气动性能计算,而且翼型静态和动态失速的计算结果,与实验还存在差距。
1.2气动外形设计
气动翼型设计主要是气动性能的优化设计,设计合适的翼型可以在特定的风速分布下获得最大风能,或者能够限制失速风力机最大功率输出!1。由于叶片翼型对叶片的气动性能和质量有重要影响,因此是大型风电叶片设计的关键之一,翼型的进步也是叶片技术发展的主要动力之一。
早期的水平轴风机叶片普遍采用航空翼型,例如NACA44x x和NACA230 x x,因为它们具有最大升力系数高、桨距动量低和最小阻力系数低等特点,但是这些翼型对前缘粗糙度非常敏感,一旦前缘由于污染变得粗糙,会导致翼型性能大幅度下降,年输出功率损失最高达30% o随着风电设备的发展,机组对叶片性能要求也不断提高,传统的航空翼型己经不适合用于设计高性能的叶片,因此美国、瑞典和丹麦等国家开始着手开发专用的风机翼型。例如美国Seri和NREL系列、丹麦RISo-A系列(丹麦的LM公司己开始在大型风机叶片上采用FFA- W系列翼型)、瑞典FFA-W系列和荷兰DU系列。这些翼型各有优势,Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低; RISo-A系列在接近失速时具有良好的失速性能并且对前缘粗糙度敏感性低;FFAw系列具有良好的后失速性能。大型风机越来越多地采用专用翼型叶片一的设计方案,但是由于空气动力的复杂性,叶片一外形的精确设计非常困难,最佳叶片翼型基本都是在梯形叶片的基础上,考虑叶尖速比、雷诺数和升阻比的关系对叶片外形进行优,相关的设计方法仍需深入地研究,叶片翼型的改讲还有很大的发展空间。
2风机叶片的结构设计
叶片的结构设计是一个复杂的过程,叶片结构设计以叶片的气动载荷分析为依据,设计目标是充分利用材料的性能,使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积,让叶片具有更强的捕风能力,同时还要求设计的叶片结构满足强度要求和刚度要求,保证结构的局部和整体稳定,运行时发生的
振动最小或不出现共振。目前结构设计参考的规范主要有JEC国际标准和德国GL标准。
2.1叶片的结构形式目前世界上的大、中型风力机的叶片,大多采用型钢主梁、蒙皮外壳、夹层腹板、金属预埋件连接叶根与轮毅的结构形式,叶片结构设计主要有根部联接设计、蒙皮和夹芯设计、主梁设计、预弯式结构设计。在叶根的联接设计中,大中型风电叶片一大多采用预埋金属件或螺栓的根端联接形式!。蒙皮外壳除满足气动性能外,也承担部分弯曲载荷和剪切荷载,蒙皮主要采用双轴复合材料,叶根区域常采用强度高的翼形蒙皮结构来承受弯曲和疲劳载荷;叶尖区域常采用薄的翼形结构来满足气动性能的要求,叶尖蒙皮外形通常有平头和剑头两种形式,相对于剑头叶尖,平头叶尖的外形有很好的气动性能,但运行噪声大,所以在对噪声要求严格的地方,通常选用剑头外形。主梁承担大部分弯曲载荷,是叶片的主要承载结构,常用的形式有D型,0型、矩形和双拼槽钢等,腹板为夹芯结构,对主梁起到支撑作用。叶片结构的设计主要包括叶片各截面蒙皮、主梁及腹板的铺层设计,以及材料的方向和厚度的选择。
2.2叶片结构的分析风机叶片的结构分析在结构设计过程中是重要的一个环节。由于叶片一的叶根、前后缘、腹板和主梁都是采用复合材料的铺层设计,采用理论方法计算精确的解析结果非常困难,目前风机叶片一的结构分析基本都是采用通用的商业有限元软件,比如A NSYS, NAST RAN和ABAQUS等。不同的软件在单元模型的选取上有一定的差异,目前常用的单元模型有壳单元、梁单元和实体单元,其中壳单元可以模拟叶片表面和夹芯结构以及设置蒙皮与主梁的连接,节点编设灵活,实体单元按真实结构建立3D单元o C. Kong采用了3D层合板复合材料壳单元和3D层合板夹芯三明治单元,对叶片结构进行静力分析、模杰分析、屈曲分析.所设计的叶片结构满足了标准要求。有限元法可用于设计和模拟分析,但在模拟校核中应用得更多,设计和校核须交叉进行,使叶片满足设计规范和标准的要求。
3风机叶片的材料
风机叶片材料的强度和刚度是风力发电机组性能优劣的关键。随着叶片技术和材料科学的发展叶片的材料也不断进步,从最初的木制叶片及布蒙皮叶片开始,经历了钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片、玻璃钢叶片、玻璃钢复合材料叶片,目前已经采用高强轻质的碳纤维增强复合材料。
3.1叶片材料的进展玻璃钢叶片和玻璃钢复合材料叶片强度高、重量轻、耐老化,因此在大、中型风力机叶片一中被广泛采用。玻璃钢叶片的性能还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进,例如采用射电频率等离子体沉积去涂覆玻璃钢叶片,其耐拉伸疲劳就可以达到碳纤维的水平,而且经这种处理后可以降低纤维间的微振磨损。但是玻璃钢叶片密度较大,随着叶片长度的增加也越来越重,例如当叶片一长度为19 m时质量1.8t,长度增加到34 m时重5. 8 t,如叶片达到52 m质量高达21t o
随着叶片长度的增加,刚度是一个十分重要的指标,为了加强叶片刚度同时减轻叶片的重量,在大型和超大型风力机叶片中的局部高应力区域,碳纤维增强复合材料逐渐被采用。丹麦L M公司开发的应用于5MW风力发电机上的61.5 m长的大型风机叶片,其重量为17.7 t,在横梁和端部就使用了碳纤维增强材料。德g国NordexRotor公司开发的56米长的风机叶片也采用了碳纤维,最近美国和欧洲的研究分析指出,含有碳纤维之玻璃纤维层压制品已经成为兆瓦级风叶片的很有发展前景的换代产品。Vestas公司在其3M W机型44 m的叶片主梁上也使用了碳纤维,使得叶片重量降至6t,与2M W机型使用的39 m叶片质量相同;E.C,公司资助的研究计划指出在直径120 m叶片转子中添加碳纤维能有效减少总体重量达38%,另外也使得设计成本减少14%。不过碳纤维复合材料的性能虽然很优越,但价格昂贵(是玻璃钢复合叶片的2-3倍),影响了它在风力发电上的应用。
3.2绿色环保叶片的研发玻璃钢叶片的废旧产品在退役后不易分解和燃烧,国内外大多采用填埋的方式处理,这对土地和环境造成了较大的影响。近年来,科研学者和研究机构开始积极探寻低成本、可回收利用的绿色环保叶片。国内学者研究了分级杉木和分级竹青板制成的复合材料风电叶片的制备,进行了力学性能的试验,研究结果表明叶片一的力学性能均达到或超过目前国外风电叶片在用的常规木利/环氧层积材的叶片,完全能够替代目前大量使用的玻璃钢叶片材料。爱尔兰Gaoth公司与日本三菱重工和与美国Cyclics公司签署合作协议研究热塑性复合环保叶片,爱尔兰Limerick大学和国立Galway大学开展了热塑性复合材料先进成型工艺技术的基础研究,美国Cyclic、公司利用其开发的低粘度热塑性CBT树脂材料制作了全球首个12.6 m可循环风力机叶片,该叶片退役后可再回收利用。目前一些复合材料公司正在对材料、工艺和质量控制等展开研究,以求开发成本较低的绿色叶片。
4 展望
随着风电产业在全球范围内的发展,风机叶片技术在未来的发展趋势主要集中在叶片外形的改进和新材料的应用方面。叶片外形已经比较稳定,但在细部仍存在改进空间,尤其是在大尺寸叶片方面,CFD方法的发展将使得科研人员对叶片翼型进行更加精确地计算和设计;随着叶片向大型化方向发展,轻质高强的碳纤维材料将逐渐扩大应用范围,但能否大规模应用还取决于新材料的价格,因此降低热塑性、竹质绿色环保叶片一的成本也是叶片材料研究的一个热点,设计出更加高效、更低成本和可靠度高的风电叶片仍需利研人员的进一步探索。
目前,我国风电叶片技术还比较后,国内兆瓦级以上叶片的制造大多引进国外的技术。因此加强风电人才培养,增加技术开发投入,掌握叶片设计方法,研制出我国自主知识产权的叶片是我国风电产业发展的重要环节。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
汕头国际风电创新港协同创新基础设施项目超大型风电机组电气及动力学综合研究中心试验台及其相关土建公用工程初步设计技术服务中标候选人公示公示编号:SZBHX202403260048号汕头国际风电创新港协同创新基础设施项目超大型风电机组电气及动力学综合研究中心试验台及其相关土建公用工程初步设计技术服务(
北极星风力发电网获悉,3月26日,香港理工大学与先进能源科学与技术广东省实验室阳江分中心(阳江海上风电实验室)签订合作协议,共同成立联合研究中心,加强粤港两地在离岸海上风力发电工程领域的科研合作。该研究中心将由香港理大土地及空间研究院及阳江海上风电实验室共同运营及管理。
2023年的中国风电技术创新,基本延续了前一年发展态势与路径,仍以通过机组大型化进一步降低海上风电与陆上风电开发成本为主,研发面向未来新市场需求的产品技术为辅。其中,大型化的主要着力点包括“高、大、长”三个方面,也就是塔架高度进一步提升,单机容量稳步增大,叶片长度持续增加。在高塔架技
近日,由邓屹博士团队设计的新型景观型机组“小风机树”正式通过实证,标志着组合型风机成功开展了突破性尝试。小风机树在设计创意上和技术上均实现了创新性突破。其设计灵感来源于自然界中的树木形态。通过模拟树枝的分叉结构,研发团队成功将多个小型风力发电单元整合在一个树状结构上,实现了空间的
科技创新引领风电高质量发展王同光中国可再生能源学会副理事长兼风能专业委员会主任,南京航空航天大学教授2023年,中国风电行业续写高质量发展新篇章,在科技创新、供应链建设、风电开发、能力建设等方面不断取得新的突破,推动行业发展不断迈上新的台阶。2023年,我国在大容量风电机组研制方面继续强
近日,由上海能源科技发展有限公司(国家电投集团风电产业创新中心)牵头申报的“超大型深远海漂浮式风电机组基础关键技术及应用”项目正式获批立项,实现了国家电投风电领域在国家重大科技项目方面的首次突破。该项目由上海能源科技发展有限公司(国家电投集团风电产业创新中心)牵头,联合国家电投集
1月21日,三一重能131米陆上风电叶片在巴彦淖尔零碳数智产业园成功下线,刷新全球最长陆上风电叶片纪录。先进技术创新应用叶片长度增加,对刚度、强度等要求也就更高,否则会造成失速和经典颤振等气弹问题,导致叶片振动增大,严重时会发生断裂。为了避免“大长柔”叶片气弹问题,本次下线的三一重能SY
近日,东方风电叶片数字化生产车间通过验收,标志着行业内首套叶片生产信息化(MOM)系统诞生,东方风电叶片产业数字化转型实现新突破。据悉,东方风电叶片产业于2023年成立多个“数字化车间攻关组”,快速推进信息化系统建设、自动化和智能化装备试用,助力实现车间数据集成与统计分析。目前数字化车
北极星风力发电网讯:从外媒获悉,全球首个漂浮式海上风电场将因“大修”而关闭。挪威国家石油公司(Equinor)将在今年夏天将该风电场的五台西门子歌美飒风机拖到岸上进行“大规模维护”,之后再重新安装就位,整个过程将耗费4个月,并将中断自2017年以来在彼得黑德24公里处运营项目的电力输出。据了解,
北极星风力发电网获悉:近日,金风科技昌吉州木垒县80万千瓦实验风电场项目、哈密巴里坤80万千瓦实验风电场项目对外施工总承包招标。公告显示,昌吉州木垒县80万千瓦实验风电场项目将安装使用100台风电机组,单机容量5.6MW~20MW。哈密巴里坤80万千瓦实验风电场项目采用75台风力发电机组,单机容量9.1MW
1月7日,由中国能建中电工程和中路股份合作建设,中电工程安徽院总承包的绩溪高空风能发电新技术示范项目成功发电,成为我国首个可并网的兆瓦级高空风能发电示范项目。该项目采用伞梯组合型陆基高空风能发电技术路线,能够利用300-3000米高空风能进行发电,是我国高空风能发电技术的首次工程化实践,对
北极星风力发电网获悉:近日,德国BermaringenTemmenhausen风电场一台高百米的风电机组发生叶片掉落事故,事故原因是由于剧烈的暴风引起,事故发生时风机处于停机状态,叶片被强暴风吹落,事故未造成人员伤亡,具体损失程度尚不清楚。
北极星风力发电网获悉:近日,英国HumberGateway海上风电场一台海上风电机组叶片断裂掉落,掉落的叶片长度约为20米长,掉落的叶片部分下落不明,有漂浮至他地方或者已沉入海底的可能,目前设备方及开发商尚未做出回应。HumberGateway海上风电场总规模219MW,位于东约克郡海岸距Holderness8公里处,由73
1月11日,中共中央国务院发布《关于全面推进美丽中国建设的意见》。意见中提及,要加快构建废弃物循环利用体系,促进废旧风机叶片、光伏组件、动力电池、快递包装等废弃物循环利用。推进原材料节约和资源循环利用,大力发展再制造产业。全面推进绿色矿山建设。到2035年,能源和水资源利用效率达到国际
北极星储能网获悉,1月11日,国务院发布关于全面推进美丽中国建设的意见。文件提出,积极稳妥推进碳达峰碳中和。有计划分步骤实施碳达峰行动,力争2030年前实现碳达峰,为努力争取2060年前实现碳中和奠定基础。坚持先立后破,加快规划建设新型能源体系,确保能源安全。重点控制煤炭等化石能源消费,加
2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。本届大会以“构筑全球稳定供应链共建能源转型新未来”为主题,将历时四天
华电广西能源有限公司相关招标项目-南宁华电福新风力发电有限公司2023-2026年风机叶片维修框架招标公告
目前,国内风机叶片检修采用「人工」或「无人机」检测方式,检测时风机叶片需要处于锁机或维护状态。然而这不仅耗时、耗能源、耗成本,甚至还有可能危及风机叶片的安全。风机叶片要做到不停机检测,高速云台相机至关重要。为此,PhaseOne风机叶片不停机检测拍摄方案应运而生,既可以「地面远距离拍摄」
5月24日,大连太平湾合作创新区管理委员会、招商局太平湾开发投资有限公司与浙江运达风电股份有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司通过视频连线方式,签署太平湾风电机组叶片研发生产基地合作框架协议。根据协议,四方将在太平湾合作创新区共建120~150米级大兆瓦风电机组叶片研发生产基地,项目一
2023年4月25-26日,由中国物资再生协会纤维复合材料再生分会在山西太原组织召开“2023新能源领域复合材料绿色循环经济产业链创新发展论坛”圆满落幕。论坛聚焦“双碳”目标,以可再生能源快速发展的时代为背景,加快以复合材料循环利用为核心的新能源绿色循环产业发展,提升新兴产业固废资源综合利用水
2022年9月,电气风电海神平台全新一代半直驱机组EW8.5-230在渤海湾首吊成功,刷新当时全球已吊装最大风轮直径机组的记录,电气风电在大直径风轮机组叶片安装再上一个台阶。如何将112米的超长叶片安装到风机上呢?叶片吊装与其他部件有很大不同,要求也更高:叶片迎风面积大,安装时易受到风载影响。通
4月6日,龙源电力工程技术公司自主研发的“风机叶片结冰降容”预警模型成功上线,覆盖龙源电力所属14000余台风机,实现风机叶片结冰降容的自动感知预警。图为湖南香木山风电场龙源电力部分风电机组处于海拔高、湿度大、温度低的运行环境,易发生叶片结冰问题,导致叶片翼型变化和质量增加,不仅导致风
华润云浮郁南欣茂风电场项目风力发电机组(含塔筒)货物及服务采购招标公告招标公告SZBGG2024030194号一、项目基本情况招标人:华润新能源(云浮郁南)有限公司招标代理机构:华润守正招标有限公司项目地点:广东省云浮市郁南县宝珠镇、通门镇、建城镇、大方镇和千官镇项目规模:200MW项目资金来源:自
3月27日,中铝发布宁夏银星能源股份有限公司太阳山风电场一期、二期94.5MW,长山头风电场49.5MW技术改造项目风力发电机组采购项目公告。公告显示,本次招标范围为风力发电机组及其附属设备采购,机型为5.0MW,共29台,容量144MW。项目要求,叶轮直径190米及以上;轮毂高度115米及以上,125米以下,且叶
3月27日,贵州省工业和信息化厅中国人民银行贵州省分行关于深入推进绿色金融、转型金融推动工业绿色低碳发展的通知,通知指出,围绕工业资源综合利用基地建设,支持磷石膏、锰渣、赤泥、煤矸石等大宗固体废物减量化排放、无害化处置、资源化利用。支持循环生产方式,提升再生资源回收利用能力,延伸再生资
中广核新能源天津宁风40MW、宁龙35MW陆上风电项目风力发电机组采购项目
汕头国际风电创新港协同创新基础设施项目超大型风电机组电气及动力学综合研究中心试验台及其相关土建公用工程初步设计技术服务中标候选人公示公示编号:SZBHX202403260048号汕头国际风电创新港协同创新基础设施项目超大型风电机组电气及动力学综合研究中心试验台及其相关土建公用工程初步设计技术服务(
3月26日,国电电力甘肃新能源开发有限公司通渭风电基地通渭鸡川10万千瓦风电场项目风力发电机组(不含塔筒)设备采购公开招标中标候选人公示,金风科技预中标,投标报价17220万元,不含塔筒单价1722元/kW。项目概况:通渭风电基地通渭鸡川10万千瓦风电场项目规划容量为100MW,共包含18台风机,采用单机
三月的新疆,冰雪消融、春意萌动。在中船风电哈密十三间房100万千瓦风储一体化项目现场,150台“海装造”风电机组正抓紧调试,为项目并网做最后的准备,而100公里外的十三间房二期50万千瓦风储一体化项目也迎着春风开始动工起跑,为即将批量化安装应用的10MW平台陆上风电机组打好坚实基础。由海到陆成
近日,大唐集团发布《东方电气木垒100万千瓦风电项目风力发电机组(含塔筒、锚栓等)及附属服务招标公告》。公告显示,东方电气木垒100万千瓦风电项目位于新疆昌吉回族自治州木垒县大石头村一带,距离木垒县以东直线距离约80km处,本工程计划装机规模1000.75MW,允许总容量偏差不超过±5MW,设计拟安装29
基本案情2022年2月4日中午13时左右,原告陈某甲、陈某乙一行人乘车前往江永县松柏瑶族乡梁山顶欣赏雪景。因山下路口处通往山上的道路被栏杆拦住,车辆无法上山,原告及其家人遂步行上山。中午14时许,原告的女儿陈某被4号风力发电机上掉落的冰块砸中头部当场死亡。2022年2月5日,原告收到被告某风力发
北极星风力发电网获悉,新疆华电天山北麓基地610万千瓦新能源项目风电机组(含塔架)启动招标,总装机规模4200MW,分5个标段,要求单机容量8.0MW以上,投标人至少有100台6MW以上风机合同业绩,投标截止4月15日。详情如下:
3月23日,华润围场朝阳200MW项目、华润围场西龙头200MW风电项目风力发电机组(含塔筒、锚栓及锚板)货物及服务采购、华润清河300MW风电场项目150MW市场化项目风力发电机组(含塔筒)设备采购、运输及服务采购、华润吉水阜田风电项目风力发电机组(含塔筒)货物及服务中标候选人公示,总装机容量668.8MW
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!