风力发电机组风轮优化设计

刘敬波

[摘    要 ]随着社会经济的不断发展，各国对能源的需求也在逐渐增长，传统能源已经处于供不应求的状态，为了满足人们多样化的需求，我国开始开发新能源。风能属于清洁能源，能有效缓解环境污染的问题，使人与自然和谐相处。本文对风轮在风力发电机组的重要作用进行分析，明确风轮材料轮毂和叶片的属性，分别探究轮毂和叶片的优化设计模式。一方面要优化验证轮毂拓扑结构和减重结构、改进轮毂模型，另一方面要明确叶片常见的设计方法、确定设计参数、优化设计发电机组模型、构建叶片外形设计模型。这样能优化风力发电机组风轮的结构，提升应用效果。

[关键词]风力发电机组;风轮设计;轮毂

[中图分类号]TM315 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the continuous development of society and economy， the demand for energy in various countries is gradually increasing. Traditional energy is already in short supply. In order to meet the diverse needs of people， my country has begun to develop new energy. Wind energy is a clean energy source， which can effectively alleviate the problem of environmental pollution and ensure harmony between man and nature. This paper analyzes the important role of wind turbines in wind turbines， clarifies the properties of the wind turbine material hub and blades， and explores the optimal design modes of the hub and blades respectively. On the one hand， it is necessary to optimize and verify the hub topology and weight reduction structure， and to improve the hub model. On the other hand， it is necessary to clarify the common design methods of blades， determine the design parameters， optimize the design of the generator set model， and construct the blade shape design model. In this way， the structure of the wind wheel of the wind turbine generator can be optimized， and the application effect can be improved.

[Keywords]wind turbine;wind wheel design;hub

风力发电机组的运行原理较为简单，主要是把风能转化为机械能，再把机械能转化为电能，达到风力发电的效果。风力发电机组由5部分组成，即风轮、机头、机尾、回转体以及塔架。其中风轮在整个机组机构中发挥着不可或缺的作用，其主要由轮毂和叶片组成，风轮是保障风力发电机组运行的关键因素，能有效地把风能转化为机械能。

1 风轮在风力发电机组的重要作用

在能源学和电力学中，风力发电机组中的风轮能有效地把风能转化为机械能。风轮的模式多种多样，总结起来一共分为两种，垂直轴风轮和水平轴风轮，判断依据就是其内部旋转轴与风向的位置关系。目前，全国的电能产业空前的发展，为风力机组产业带来机遇，其中风轮是核心要素，其应用性能决定整个风力机组利用风能的效果以及机组承受的压力负荷，与电能开发的经济性和机组运行性能有着密切地联系，并且风轮中的叶片是机组中最重要的零部件，其成本占据总成本的18%左右。

2 风轮材料和属性

2.1 轮毂

轮毂的作用为连接电力发电系统的主轴和叶片，需要承受多样化的交变荷载，所以它应该具备较高的强度。为了满足应用的基本要求，部分轮毂设计得较为笨重，无形中增加制造的成本，与此同时因为转动的惯性量超过限定的范围，增加了控制的难度，所以应该对其进行优化设计。我国在风力发电领域的经验不够充足，许多大型的风电厂都引进图样进行机械制造工作。但是在借鉴国外技术的基础上，还应该进行科学地改进，对轮毂结构进行优化，打造中国特有的风力发电机组。

2.2 叶片

风力发电机组逐渐向大型化模式发展，它的叶片的长度值逐渐增加，捕获的风量逐渐提升。现阶段，生产商们逐渐提高对叶片材料的关注度，应用高质量的材料，提高叶片的刚性和强度。比如，最近市场中出现一种三维混杂材料，它的强度和刚度较高，是由树脂灌注而成，操作较为简单，灌注效率高，且叶片的结构较厚，能把铺设的厚度控制在合理范围内，提升劳动力资源的利用价值[1]。

3 风力发电机组风轮优化设计

3.1 轮毂

3.1.1 轮毂拓扑结构优化验证

（1）轮毂与3个叶片组合在一起形成风轮。风能被风轮捕捉，随后在主轴的助力下传输到增速齿轮箱中。假设已经知道主轴和变浆轴承的尺寸，构建轮毂的拓扑结构模型。整个模型的主要要素为主轴法兰、叶片变浆轴承和轮毂。把一个实心柱体作为需要设计轮毂的空间，在已知其他两个要素的情况下，由它们决定边界条件添加的要求。轮毂需要承受3个叶片的压力，荷载主要位于中心点上，用来表示对轮毂的压力。借助Bladed软件能得出力的方向和大小，是一種极限荷载力。

（1）拓扑优化以变密度为基本理论。在优化设计时引入一种密度可见材料，密度和参数之间的关系是人为定义的。把单元的设计密度P作为变量，有材料表示为P=1，没有材料表示为P=0，把拓扑优化目标设置为结构应变最小，保证材料的应力要低于许用应力。使用OptiStruct软件对拓扑进行优化设计，优化的结果为轮毂位于一个球上。这就说明球状的轮毂拓扑符合要求。为了进一步探究轮毂在空心球分布的科学性，可以把它简化为壳状的模型，经过二次拓扑操作后，对边界荷载进行优化。

（3）对轮毂结构进行验证。轮毂的外形结构为厚度分布不均匀的球体，其内部为空心状。在轮毂中越靠近主轴的法兰，其内壁越厚。轮毂的大小与优化空间毛坯的大小有直接的联系，设计人员可以根据自身情况进行优化。此外，要提高对轮毂减重问题的关注度，在其中间位置开设3个小孔，但是随着小孔的增加，铸造难度也会有所提升，因为小孔会增加轮毂的应力。经过综合性的探究，轮毂应该设计为球状。

3.1.2 轮毂减重结构优化

（1）经过拓扑优化，轮毂应该为球形，保障其半径处于恒定状态，导致轮毂重量过高的主要因素就是它的壁厚。在优化自由尺寸时应该明确壁厚的一般分布规律。

（2）建立有限元模型。因为轮毂结构较为烦琐，选取其中的中性面，利用形壳确定轮毂。把轮毂设置为设计空间，主轴法兰和轴承为非设计空间，构建有限模型。

（3）优化自由模型。对所有单元的厚度进行探究，设计的目标为确保轮毂的重量最轻，限制条件为单元应力值低于材料的许用应力，并且轮毂的内壁厚度大于3 cm。为了把轮毂厚度控制在合理的范围内，内壁厚度设置为15 cm。经过优化可知，轮毂厚度的最大值为12 cm，位于主轴和轮毂法兰连接的位置。一般区域的厚度都在3 cm左右。厚度的分布规律为距离轮毂越近，厚度值越高，这个结论可以与前面的拓扑结果形成对应。因此可以根据这个结论进行重新设计工作[2]。

3.1.3 轮毂改进模型

以前面尺寸设计优化的结论为基础，对轮毂的结构进行优化设计，把轮毂的半径减小，轮毂的内壁厚度应该依据尺寸优化需求进行设计，同时要对轮毂的疲劳强度和极限静强度进行计算。修正前后的具体数值为：原始模型的静强度参数为64 MPa、疲劳寿命为1.14E9、质量为7.61 t;改进模型的静强度参数为31.1 MPa、疲劳寿命为4.96E9、质量为6.23 t。

3.2 叶片

3.2.1 叶片常见的设计方法

因为发电的环境存在一定的特殊性，风力发电机组的叶片在设计时容易受到其他因素的干扰。所以在不同的情况下应该使用不同的设计方法，比如系数法、Wilson设计法、图解法和简化风车设计法等。以Wilson为基础对叶片的外形进行设计和创新，进行优化设计的主要目的就是提高风电机组的运行效果，为生产发展助力。现阶段，我国还没有完善风电机组设计理论，不仅要符合函数的基本理念，还要把叶片的外形设计参数控制在科学范围内。在设计时需要对展弦数值进行重点考量，探究在不同情况下气动数值的变化情况，经过反复多次计算明确数值的变化走向情况。利用建模构架数学资料库，为优化设计叶片提供助力。叶片材料是优化设计的重中之重，在设计时应该保证叶片的柔韧性，因为机组在高速运转时叶片也会与其他的零部件进行碰撞。使用预弯技术能减轻它的重量，降低生产成本。

3.2.2 确定重要设计参数

（1）额定功率。它主要指当风力发电机组在正常的运行模式下，风轮机输出的最大的效率。如果其处于最佳的运行状态就表示机组在运行时达到最大功率。如果确定了额定的数值那就会对整个机组的运行状态和工作情况造成影响。只有进行科学的数值设计工作才能从根本上发挥风力发电机组的最大价值，增强风力发电的效果。

（2）额定风速。在设计叶片时要对风速进行科学地把控，风力发电机组运行的基本原理为利用叶片转动来产生机械能，之后把机械能转变为电能。所以在进行优化设计时要精准计算额定的风速。简单来说额定风速就是在额定功率下叶片转动的速度，它会随着功率的改变而发生改变。

（3）空气密度。因为风力发电机组在运行的过程中对环境有较高的要求，在设计叶片时要对各种要素进行充分地考量，其中空气密度会对机组的运行效果造成直接的影响，而温度、风速、湿度和大气运动也会对空气的密度造成影响。

（4）直径大小。在设计风轮的直径时，需要把风力发电的额定数值控制在合理范围内，结合实际的生产需求来调节风力的大小，测量区域的温湿度，综合考虑空气的密度数值，确保能计算出最佳的直径长度[3]。

3.2.3 发电机组优化设计模型

（1）确定目标函数。风力发电机组运行的根本目的是为提高风能的利用率，把其转化为电力资源，为人们的生活助力。但是在实际的转化中容易受到客观因素的影响，所以在正式设计前应制定明确的目标函数。只有确定明确的目标，才能实现优化的目的。在确定目标函数的时候要以风力发电机组的验收要求为基础，计算出输出功率数值和平均发电量来建立对应的目标函数，为工作的顺利开展奠定坚实的基础。

（2）明确叶片设计的优化条件。当地的自然条件能决定风力发电机组的运行情况，要掌握发电机组的运行效率和区域的风速，为优化工作提供数据参考，当完成所有的数据采集工作后就可以进行设计。在函数中呈现风速的变化走向时，以风速的变化规律明确功率的数值，如果风速达到限定的数值，机组内的数值也会随之减少。利用片条理论对风轮的叶片功率值进行控制，在设计时要考量环境的影响因素，比如空气密度、风速、损失系数等。因为风力发电机组两边的气压差异较大，当叶片运行时容易出现二次流动的问题，叶片的运行情况与机组的使用性能有直接的联系，所以在设计中要对这些因素进行考量。

3.2.4 葉片外形设计模型

对叶片进行优化设计，这样能提升整个风力发电机组的运行效果，在设计叶片时要考虑到空气的流动情况，以理论为基础确定具体的输出情况，探究在不同状态下的叶片运行情况，从而确定最佳的目标函数。同时，要考虑到叶片的荷载和强度，综合考虑各项因素，提高风电机组的使用性能。

4 结束语

综上所述，在能源高速损耗的背景下，开发和研究新能源刻不容缓，要科学把控能源之间的转化问题。现阶段，我国在风力发电机组风轮优化设计方面存在较大的进步空间，应该不断总结和分析各个阶段的实验结果，制定最佳的设计方案，为之后的生产与生活奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 康旭东.750W12/8极垂直轴开关磁阻风力发电机设计及优化[D].石家庄：河北科技大学，2020.

[2] 齐剑峰.玻碳混合风电叶片结构优化设计及其气弹特性分析[D].郑州：中原工学院，2020.

[3] 张旭，李召暄，李伟.多种载荷作用下H型垂直轴风力机叶片的结构优化[J].农业工程学报，2020，36（7）：83-91.