风力发电机叶片叶根的受力性能综述

摘 要：风力发电机叶片是风力发电机中的部件之一，叶片根部是叶片与风力机转子轮毂连接的关键部分，叶根工作时处于复杂的拉压、弯扭和剪切载荷组合工况中，因此叶根连接部位必须具有满足要求的强度、刚度和稳定性能，因此，叶根连接部分受力性能对叶片的安全运行起着决定性的作用。

关键词：叶片叶根；受力性能；综述

上个世纪初，风力发电作为一种具有商业发展价值和发展前景的健康新型能源形式，已经获得了极大程度的发展。随着美丽中国、人与自然和谐发展的呼声、风力资源开发技术的不断深入研究、发展和运用实践，对风力发电机系统关键部件设计方案的深入讨论和研究越来越多。

风机叶片是一个纤维增强复合材料制成的薄壳结构。结构分为3个部分：第一部分为根部，材质一般为金属；第二部分为外壳，一般为复合材料，通常是使用玻璃纤维增强材料与基体树脂复合而成，一张叶片由两个灌注成型的外壳构件粘合而成；第三部分为支撑外壳的主梁，即加强筋或加强框，一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材料制成。

风力发电机叶片是发电机组中的部件之一，通过叶片的旋转把风能转换为机械能，再带动发电机发电，最后将机械能转换为电能。叶片根部是叶片与风力机转子轮毂连接的关键部分，叶片在运转过程中同时承受的气动力、重力及离心力等复杂载荷影响都将通过叶根传递到的发电机轮毂上，由此，叶根承受着复杂的挤压、弯扭、剪切载荷组合作用，因此叶根连接部位必须具有满足要求的强度、刚度和稳定性能。因此，叶根连接部分受力性能对叶片的安全运行起着决定性的作用[ 1 ]。

大尺寸叶片的根部与发电机轮毂之间常采用双头螺纹杆连接，在叶片根部预浸料铺层过程中，预先将加工好的螺栓套筒埋入，由于螺栓套筒是圆形截面形式，与周围的玻璃纤维增强复合材料接触面积较小，不利于叶片结构承受外部荷载，所以需要在螺栓两侧填充 “工”字形垫块或矩形垫块。

螺栓套筒与周围的玻璃纤维增强复合材料连接部位受力情况复杂，是风力发电机机组各部件连接中易不满足要求的部位。随着发电机组的大型化趋势发展，叶片更柔更长，叶片与发电机轮毂或者轴承的螺栓连接部位成为承受复杂交变载荷、恶劣工况的连接部位。统计资料表明，由于叶根连接处螺栓紧缩断裂、叶根被拔出导致的叶片安全质量事故相当严重。为提高风力发电机组运行的经济性、可靠性与稳定性，重点研究叶片叶根部分的连接安全性、有效性和持久性对整个机组的健康运行和使用寿命有重要工程实践意义[ 2 ]。

在以玻璃纤维增强复合材料为风力发电机叶片主要材料的叶片结构形式中，叶片与根部的连接构造设计是关键问题。风力发电机叶片通常要承受自重，惯性力，等十几到几十吨的作用，还要考虑极端风荷载影响。为了保证风力发电机叶片的强度、刚度和局部稳定性，玻璃纤维增强复合材料叶片通常做成气动外壳包裹主梁的形式，共同承担外部荷载作用。

资料表明，国外有关风力机叶片的相关研究主要集中在叶片结构设计过程中的数值分析等方面，如数值迭代算法：利用已知条件，通过迭代过程逐渐接近设计目标；大部分研究着重于对数值计算算法的改进，以提高迭代过程的准确性、收敛性与快速性。对于风力发电机系统叶片结构设计方法的研究成果不多[ 3 ]。

水平轴风力发电机组发电功率与叶片长度平方成正比，而叶片重力与叶片长度立方成正比，随着单机发电容量越来越大，叶片越来越长，叶片结构的强度、刚度和稳定性能要求随之越来越高，提高材料强度、刚度就提高了结构的强度、刚度以及稳定性，这样可以避免叶片在极端风载荷作用下与塔架碰撞。普通玻璃纤维的性能已趋于极限，不能满足大型风力发电机叶片性能要求。因此，目前比较可行的方案是使用强度和模量更高的玻璃纤维。其中，关键问题是双头螺纹杆和叶根联接区域的受力性能。

用于风力发电机组的双头螺纹杆和叶根的螺栓连接分析研究目前还比较少。一般情况下，螺纹杆的强度主要包括了静力强度和疲劳强度。为了保证螺纹杆连接既不会在最大载荷下发生静力强度破坏，也不会在循环载荷下发生疲劳断裂，就必须对螺纹杆连接进行静力强度和疲劳强度校核。螺纹杆连接中，如何提高疲劳强度是关键问题[ 4 ]。

大中型风力发电机叶片都是采用蒙皮与主梁结合的构造形式。目前对叶片的有限元计算中，主要根据叶片的结构实体，选用复合材料壳单元来建立主梁和气动外壳模型，无法充分考虑根部复杂的连接结构对局部受力性能的影响。

多数学者对叶片根部进行分析研究时，一般采用ANSYS中的SOLID186六面体层合实体单元，根据铺层工艺设定有关参数进行根部的三维有限元建模，参数主要有各单层的材料特性、各单层的铺设角度和厚度等，ANSYS根据输入的参数计算叶片结构在整体坐标系下的单层刚度矩阵，利用叶片结构边界条件计算应变和应力。有学者研究表明在有限元中叶片结构按等效同向材料计算得到的位移准确度较高，但是等效的均質材料模型不能直接得到单层应力、应变。只能对感兴趣的子层按层合结构作进一步分析以得到单层应力 [ 5 ]。

参考文献：

[1] 盖晓玲，田德，王海宽.风力发电机叶片技术的发展概况与趋势[J].农村牧区机械化，2006（4）：53-56.

[2] 李彦蓉.风力发电机叶片结构有限元分析[D].北京：华北电力大学，2011.

[3] 刘丹，李军向，薛忠民.风力发电机叶片数值模拟综述[J].电气技术，2010（7）：7-11.

[4] 庄恒东，黄辉秀，徐阳.兆瓦级风力发电机叶片载荷计算[J].玻璃钢/复合材料，2014（5）：37～40.

[5] 潘燕环，徐加初，王蟠.风力发电机叶片根部的有限元建模研究[J].中北大学学报（自然科学版），2010，31（4）：429-431.

作者简介：

周新坪（1990-），男，汉族，四川阆中人，工学硕士在读，研究方向：结构工程和桥梁检测。