国内外风力机叶片设计技术进展调研报告

王德超

2015年9月28日目录

一、行业概述 (3)

二、叶片设计技术现状 (5)

2.1 翼型是叶片设计的基础 (5)

2.1.1国内外典型翼型的优点 (5)

2.1.2后缘襟翼的研究进展 (5)

2.1.3 CFD工具对叶片、整机仿真优化 (6)

2.1.4风洞实验 (7)

2.2 气动外形优化，提高风能利用效率 (8)

2.2.1优化叶片根部翼型 (8)

2.2.2叶尖小翼 (9)

2.2.3细长叶片柔性设计和预弯 (11)

2.2.4叶片边界涡的优化设计 (12)

2.3 开发多适应性的风力机 (13)

2.3.1防结冰/除冰系统 (13)

2.3.2.降低噪音 (14)

2.3.3海上风力机 (15)

2.4 复合材料及制造工艺进步 (15)

2.4.1一体成型 (15)

2.4.2预浸料与真空灌注成型（RIM） (16)

2.5 大叶片运输方案 (17)

三、叶片设计技术总结与展望 (18)

参考文献： (19)一、行业概述

近几年，风电产业发展势头良好，据统计2014年丹麦风能发电量占总发电量比例已经高到39.1%，而中国风能发电量占总发电量比例只有2.8%。中国2014年新增安装风电机组13121 台，新增装机容量23196MW，同比增长44.2% ；累计安装风电机组76241 台，累计装机容量114609MW，同比增长25.4%，2014年新增风电装机量刷新历史记录，但是中国的风电行业的未来还需更多的努力。

理论上，风电机组单机功率越大，每千瓦小时风电成本越低，因此风电机组的技术发展趋势向多适应性地域条件、增大单机容量、提高转换效率的方向发展。

叶片是风力发电机组最基础关键的部件，对风力机组的发电效率、运行安全起着至关重要的作用，其良好的设计、稳定的质量和优越的性能是保证风电机组正常运行的重要因素。随着风电机组向低风速区以及特殊自然环境区发展，叶片设计需要满足更多的条件。高原地区空气稀薄密度低，因此需要调整叶轮气动外形设计；海上风电由于盐雾的侵蚀，因此需要加强叶片保护；低温区会出现叶片结冰影响风力机运行，因此需要开发除冰/防结冰技术；某些风场离居民区较近，因此需要降低气动噪声。随着风电机组单机容量的增加叶片直径增加，对叶片材料结构、加工工艺以及道路运输提出了新的要求。叶片直径增加，风力机运行时施加在叶片上的载荷增加，因此需要考虑采用新的复合材料以及充分考虑叶片的气弹耦合；叶片直径更大，现有加工工艺也会面临新的考验；更长的叶片，道路运输将需要寻求新的方式。

叶片的优化设计主要考虑以下几个方面：

A.叶片不同位置处的翼型组合构成整个叶轮。由于叶片不同位置处气动和结构

的要求不同，因此风力机叶片翼型的需要合理化布置。如：靠近叶尖处翼型应具有较高的升阻比以达到最大功率输出；叶尖处翼型速度通常很高需要低的气动噪声；叶根处翼型应具有较大的相对厚度满足结构和刚度要求；叶片前缘处容易粘附污染物，因此翼型在最大升力系数时应对前缘粗糙度不敏感等。

B.对于有限长的叶片，风轮下游存在尾迹涡旋如图1所示，涡旋影响风能的捕

捉效率。叶片旋转时主要存在着轮毂附近的中心涡、每个叶片上的边界涡旋以及每个叶片边界的螺旋涡。减少尾迹涡旋是提高风能利用系数的关键因素之一。

C.叶片朝大型化、轻量化和高效率发展时，需要进行成本与结构、复合材料加

工工艺和叶片运输方案的综合考量。

图1 风力机运行过程中产生的涡旋二、叶片设计技术现状

叶片设计分为气动设计和结构设计两大阶段，在设计过程中需要综合考虑这两方面。风轮叶片的优化设计要满足的目标: 年输出功率最大化；最大功率输出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求；保证叶片结构局部和整体稳定性等。

2.1翼型是叶片设计的基础

2.1.1国内外典型翼型的优点

美国Seri和NERL系列，Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低。

丹麦RISØ—A系列，在接近失速时具有良好的失速特性且对前缘粗糙度敏感性低。

瑞典FFA.W系列，该系列具有良好的后失速特性。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA系列翼型。

荷兰DU系列及NACA63xxx系列。

Gamesa公司2MW机型和Vestas 2MW&3MW机型的叶型数据如表1所示：表 1 Gamesa & Vestas 部分机型的叶片数据

机

型

G83 G90 V82 V90

叶型

NACA63.XXX+FFA-W

3

DU(Delft

University)+FFA-W3

FFA-W3+NAC

A 63.4

RISØ P

+FFA-W3 不同公司会根据自己的设计理念开发新的翼型，如Gamesa公司和Aerodyn

公司自主开发的系列翼型，其CFD测试结果如图2所示：

疲劳载荷的特点之一在于载荷的脉动性，这主要是由湍流、塔影效应、风剪切等非定常效应引起的。由于尾缘襟翼具有较好的高频性能、良好的结构和安全特性，较易在风力机上应用，因此被认为是降低风力机叶片疲劳载荷最具可行性的气动控制部件。美国Sandia国家实验室、荷兰Delft理工大学和丹麦Risø DTU等机构对风力机叶片尾缘襟翼进行了较多的研究，显示了尾缘襟翼较好的降载效果。但相关研究主要关注控制策略、气动弹性和实现方式等方面，对尾缘襟翼附近流动状态研究较少，对气弹分析中的气动力研究主要采用准定常方法求解，忽略了襟翼运动非定常特性的影响。

2.1.2后缘襟翼的研究进展

图 2 Gamesa & AE 系列翼型中科院工程热物理研究所科研人员采用非定常CFD方法研究了尾缘襟翼的气动特性，其结果如图3所示。研究结果指出尾缘襟翼对风力机叶片气动特性的影响不限于尾缘襟翼附近，几乎整个叶片均受到影响，具有明显的三维特征，因此使用动量叶素理论时需要进行必要的修正。

图3 叶片表面压力云图与极限流线分布，其中，来流风速为7 m/s，(a)、(b) 、(c)分别为原始叶片、与来流同相位运动尾缘襟翼以及添加10°相位差运动尾缘襟翼结果

2.1.3 CFD工具对叶片、整机仿真优化

LM公司采用三维CFD软件对风力机整机进行仿真计算，从图4的整机流场仿真图可直接分析得到涡旋的影响范围以及风机周围风速的变化情况。

图 4 LM公司整机仿真计算结果

中科院工程热物理研究所科研人员采用自主研发的工程应用新模型（改进致动面模型），对不同排布下的多台风力机尾流场分析，研究干涉效应影响、流场耗散和掺混现象。该方法采用计算域中的体积力空间分布替代叶片在流场中对流体的作用。图5所示为改进致动面模型的计算流程图。计算结果表明，改进致动面模型对尾流场进行模拟预测的结果与已有模型结论较吻合，具有较高的三维计算精度，适应于多风机尾流研究，能有效地模拟尾流掺混和能量耗散等现象。

2.1.4风洞实验

风洞实验验证设计结果对叶片设计来说是很重要的一个环节。图7为Gamesa 叶片设计的风洞实验装置。图8为LM 叶片风洞实验烟迹，

可通过实验分析叶片图 7 Gamesa 风洞实验装置

图 5 改进致动面模型的计算流程图

图 6 改进致动面模型纵排(左)及错排(右)排布下轴向切面涡量云图分布及等值面

图8 LM叶片烟迹图

2.2气动外形优化，提高风能利用效率

2.2.1优化叶片根部翼型

ENERCON公司为改善和提高风力发电机机舱附近的捕风能力，按图9方式改进叶根形状，使叶片与机舱有机地结合在一起，有助于气流均匀地流过机舱。图10 给出了实测风能利用率相对于原来风力机的改变情况，进行叶根优化之后的E82风能利用效率明显增大，并且可利用风速更低。

图8 LM 叶片绕流烟迹图

图9 ENERCON 叶根翼型改进图10 叶根翼型改进前后风力机Cp值对比

GE公司为了减少轮毂中心涡的损失，设计了名为“ecoROTR”的伞形导流罩（如图11），其可以使流向叶尖的风向发生偏转。经过风洞实验，GE的工程师认为该伞形导流罩可以使风力机的利用系数提高3%。

图11 GE ecoROTR伞形导流罩

2.2.2叶尖小翼

上世纪70 年代，美国国家航天局的Whitcomb 鸟翅膀尖部的小翅得到启发，在飞机机翼的翼梢处安装了小翼片（图12），从而减少了机翼的诱导阻力，节省了燃油。几乎与此同时，

VanHolten

提出了在风力机叶尖处添加小翼的概念。Van 先生和另外几位大神一起开发了不同类型的小翼，并且通过实验证实，在风力机叶片叶尖增加小翼，可在一定范围内提高风轮的输出功率。图13为

ENERCON 公司4.5MW 风力发电机安装的叶尖小翼，可使得叶片运行噪音减小。

由于小翼本身具有质量，加装小翼会对风轮的振频产生影响。国内学者以S 型叶尖小翼为例，通过试验方法揭示了叶尖小翼对风轮静、动频率的影响[1]。

图 12 飞机的翼梢小翼

图 13 ENERCON 叶尖小翼

究者们得到以下结论：

小翼使风轮质量增加导致风轮

1、2阶静频下降；

S型叶尖小翼可有效改变风轮

1、2阶动频曲线走势，从而可有效

调节风轮进入和脱离共振区的转速，

这对于风轮的最佳转速设计和避免

共振设计具有重要意义；

S型叶尖小翼对圆盘效应振动

频率和轴向窜动效应振动频率影响

很小。

图14 S型叶尖小翼

2.2.3细长叶片柔性设计和预弯

丹麦LM 公司提出了“Future Blade”的概念，LM 公司研发部经理Frank V ．Nielsen 认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化。叶尖采用“柔性”设计理念进行设计，叶尖轻微弯曲。 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范围内的风能，包括边缘的低风速区域，比传统的叶片捕风能力提高了5～10％。 Siemens 公司7.0MW 的风力机叶片也采取了同样的设计理念。

2.2.4叶片边界涡的优化设计

Siemens 公司设计的Dino Tail 安装在靠近叶尖处的翼面的尾缘，其主要作用是减少叶尖处的气动噪音并增加空气动力效率；Dino Shell 安装在靠近叶根处翼面尾缘，主要作用是提升叶根处的风能捕捉；V ortex Generator 主要作用是延迟翼面气流分离点，提升叶片气动效率。

图 15 Siemens 7MW ‘柔性’叶片

图 16 西门子公司开发的加装叶尖小翼的风力机

德国弗劳恩霍夫生产技术和应用材料

研究所研究人员研制出一种仿鲨鱼皮的表

面涂层。

鲨鱼表皮沿游动方向有序排列着沟槽

状结构，这种结构能在湍流中减小表面摩擦

阻力。研究所的专家将其研制的仿鲨鱼皮涂

层，铺设在一台风电机的叶片上进行测试，

证实这种涂层可将扇叶的升阻比提高超过

30％。这种可取代传统涂层的仿鲨鱼皮涂层

不会增加风电机扇叶重量，每年估计可将一

台风电机的电流输出量提高5％至6％，而

且可以减少噪音。

2.3 开发多适应性的风力机

2.3.1防结冰/除冰系统

风力机运行在某些天气条件下时会出现叶片结冰，严重时会导致风力机停转，一些叶片公司已经设计研发了除冰/防结冰方式。图23为Gamesa 的热风加热叶片除冰装置（BDS ），图24是Vestas 的热风加热叶片区域分布。

图 18 鲨鱼皮表面沟槽

图 17 Vortex Generator 烟迹图

图 23 Gamesa 热风除冰系统

Gamesa 公司的Bladeshield TM 疏水涂层是将纳米材料混合到表面喷漆中，改变表面的疏水性，除了防结冰还可提高叶片前缘的耐侵蚀。另外，Gamesa 的5MW 风力机还借鉴芬兰VTT 技术研究中心20年的防结冰经验，在铺层加工时将碳纤维发热丝预埋进叶片,研制了IPS 防结冰系统，但是其具体效果还需要风场实际测试。

2.3.2.降低噪音

Vestas 2.0MW 风力机充分利用OptiSpeed®技术来实现低风速、变风速时的风机高效率，并以转动形式储存多余能量利用阵风的全部风能。与传统的定速风机相比，OptiSpeed®年发电量提高约5%。由于OptiSpeed®峰值负荷降低，齿轮箱、叶片和塔架磨损也相应地减少。另外，风机产生的噪音与风速存在一定的函数关系，所以低转速OptiSpeed®地降低了噪音等级。图25给出了Vestas 2.0MW 风力机噪音输出等级与风速关系图。

图 25 Vestas 2.0MW 风速与噪音关系图 图

24 Vestas 热风加热叶片区域分布

2.3.3海上风力机

ENVISION 采用局部变桨技术和碳纤维主轴技术的3.6MW 新概念海上风机在丹麦风场样机运行超过两年，据其报道称能有效应对台风工况，并能降低20%海上风电建设成本。

2.4 复合材料及制造工艺进步

2.4.1一体成型

Siemens 一体成型工艺通过两个模具型面和其中的芯模形成一个封闭的型腔，

在型腔里面铺放纤维材料和芯材。通过在型腔内建立起的真空体系，基体材料通过铺放在模具下部边缘的导流管注入模具内。其具体加工过程和专利描述见附件《西门子风电叶片一体成型专利——中文》。

图

19 西门子叶片一体成型模具

图 26 ENVISION 局部变桨风力机

2.4.2预浸料与真空灌注成型（RIM ）

预浸料成型方法是按设计要求的铺层顺序先将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将尚未成型的制件密封，抽真空，以排除在铺层内的气泡、挥发分和袋内的空气，按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型叶片。对于40m 以上叶片，VESTAS 和GAMESA 仍使用预浸料工艺。

图 20 Siemens 一体成型叶片

图 21 预浸料工艺

图 27 Gamesa 直升机运输叶片

真空灌注成型（RIM ）：先将纤维织物等增强材料铺放在模腔里，然后抽真空，树脂基体在真空压力的作用下被导入模腔浸渍增强材料。

这两种技术目前已十分成熟，而且在风电叶片的制造中应用广泛。随着MW 级大型风机的不断研发，叶片尺寸也在一直增大，进而对叶片材料和工艺提出了更严苛的要求。

2.5 大叶片运输方案

德国ENERCON 公司的E-126叶轮直径127米，采用两段式叶片，在靠近叶根的较短部分由金属制成，外延部分由玻璃钢增强纤维制成，极大地方便了公路运输。

Gamesa 的G80 2MW 风力机在西

班牙Carondio 风场安装时采用了

直升机运输叶片，花费3天时间完

成了39块叶片的运输。

图 22真空灌注工艺

随着风电机组的技术发展趋势向多适应性地域条件、增大单机容量、提高转换效率的方向发展，风力机叶片也出现了满足各种要求的多元化设计。在翼型设计方面，有Gamesa和Aerodyn公司自主设计的新翼型，中科院工程热物理研究所提出新计算模型对风力机整机的尾流研究；在气动外形方面，有ENERCON的E82风力机叶根翼型改进，GE 的“ecoROTR”伞形导流罩，ENERCON公司4.5MW 的叶尖小翼，以及Siemens公司对叶片增加的涡流发生器；在叶片加工方面，碳纤维和玻纤材料的取长补短或许更适应未来风力机叶片的要求；叶轮直径增大，采用直升机运输等新方式也开始加入风场建设。

未来叶片设计应该会在风力机整机CFD分析模型研究、类似“局部变桨”等技术的更自然的叶片设计、能够适应更多风场条件的风力机叶片等几个方面进一步发展。

参考文献：

[1]马剑龙,汪建文,董波,魏海娇，S型叶尖小翼对风轮振动频率影响的研究，振动与冲击[J]，2013，32（24）：110-116.