关于后掠式和预弯曲风力涡轮叶片载荷-性能权衡的几何精确研究

《Renewable Energy》：A geometrically exact study on the load-performance trade-offs in swept and pre-bent wind turbine blades

本文基于三参数堆叠线设计方法，研究15MW风电机叶片后掠、前掠及预弯构型对动态响应与气动性能的影响，结合BEM与GEBT理论分析几何非线性效应。结果表明后掠在低风速下显著降低 flapwise 根部载荷（0.5-0.6跨距段最优），前掠存在功率输出非线性关系（0.1-0.3跨距段最优），预弯在提升发电效率同时改善塔架间隙。研究为超长叶片结构优化提供理论依据。

　　

赵星伟|何中海|姜文豪|赵颖|黄点贵

上海科技大学能源与动力工程学院，中国上海中工路516号，200093

摘要

本研究全面探讨了叶片堆叠方式（由三参数公式控制）对15兆瓦风力涡轮机叶片动态响应和空气动力性能的影响。计算框架结合了叶片元素动量理论（Blade Element Momentum theory）和几何精确梁理论（Geometrically Exact Beam Theory），以考虑几何非线性效应。参数化气动弹性模拟分析了具有纯后掠、前掠和预弯曲配置的叶片，在稳定风速条件下研究了其幅度和起始位置的影响。结果表明，后掠配置有效降低了叶片根部的弯矩和尖端位移，这种优势在低于额定风速时尤为明显，这是由于被动弯曲-扭转耦合效应。相反，前掠对功率输出的影响是非单调的。预弯曲配置在提供适度功率增强的同时，显著改善了塔架间隙的几何特性。研究表明，叶片堆叠起始位置是一个关键的设计参数。对于后掠叶片，最佳载荷降低发生在无量纲跨度位置0.5-0.6之间；而对于前掠叶片，最佳的功率-载荷平衡在0.1-0.3范围内实现。这些发现为利用叶片几何曲率来实现大型风力涡轮机转子的特定空气动力结构目标提供了明确的设计指导。

引言

风力涡轮机叶片向更大尺寸发展的趋势导致载荷显著增加，从而对运行安全性和可靠性提出了更高要求。为应对这一挑战，采用了两种主要的载荷控制方法：主动载荷控制通过调整俯仰角、发电机扭矩或使用后缘襟翼等驱动装置来动态调节涡轮机运行以减轻载荷；而被动载荷控制则利用结构设计，依靠固有的柔韧性和适应性变形来降低载荷[1]。

关于主动载荷控制的研究展示了其巨大潜力。例如，Wang等人[2]在NREL 5兆瓦叶片上实施了机械循环俯仰策略，在正弦波俯仰运动（风速7米/秒、振幅3度、频率0.1赫兹）下，与未控制情况相比，他们的方法将俯仰、偏航和合力矩的波动标准差分别降低了76.67%、70.94%和71.9%。同样，Wakui等人[3]为同一涡轮机模型开发了双独立反馈控制系统，在平均风速15.4米/秒的情况下，将功率输出波动、平台俯仰运动和塔架基部前后弯曲矩的等效疲劳载荷分别降低了52%、22%和16%。Yao等人[4]采用CFD-FEM方法模拟台风条件，发现主动偏航控制将关键载荷降低了90%以上，并将叶片尖端位移减少了75%。在组件层面，Zhuang等人[5]表明，在NACA 0012翼型上安装变形后缘襟翼（Morphing Trailing Edge Flap，MTEF）后，当偏转增加0.1弦长时，升阻比提高了30%。尽管有这些令人信服的证据，但由于实施成本高和系统不确定性大，主动载荷控制的采用仍然受到限制[6]。

因此，由于故障率较低、维护需求减少[1]以及制造成本显著降低，被动载荷控制技术比主动系统更具经济可行性。这主要通过两种方式实现：材料诱导的弯曲-扭转耦合（Material-induced bend-twist coupling，BTC）和结构诱导的弯曲-扭转耦合（Structure-induced bend-twist coupling）。材料诱导的BTC通过策略性地调整叶片蒙皮或翼梁帽内的层压角度来利用复合材料的各向异性特性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]；而结构诱导的BTC则是通过重新设计叶片堆叠方式和叶片几何形状来实现的。已经开发了几种堆叠方式的设计策略，包括：结合线性-二次跨度分布的方法[12]、[13]、控制尖端偏移、掠角起始和强度的三参数方法[14]、[15]，以及用于独立控制叶片段的分段函数方法[16]。

掠角叶片在减轻结构载荷和抑制气动弹性变形方面表现出显著优势，其有效性已在不同功率等级的涡轮机中得到验证。对于5兆瓦NREL参考涡轮机，Wang等人[17]观察到掠角叶片的根部扭转矩平均值和波动幅度均低于直叶片。Chen等人[18]确认掠角叶片有效降低了叶片根部弯矩的波动幅度，尽管他们也注意到扭转矩略有增加。对于更大规模的涡轮机，如10兆瓦模型，Christian等人[19]和Pavese等人[20]报告称掠角叶片显著降低了根部弯曲矩。后者还实现了叶片质量减少2%–3%，疲劳等效载荷减少了8%。小型涡轮机的研究也支持这一趋势：Larwood[21]观察到10千瓦叶片的推力减少了33.3%，而Ismail和Baracat[22]指出掠角配置相比直叶片和前掠设计具有更低的推力和更小的结构变形。此外，多项研究通过多目标优化提高了整体性能。例如，Xin Shen等人[23]使用NREL Phase VI叶片实现了年能量产量增加5.87%和转子推力减少1.48%。Larwood[24]证明掠角叶片在750千瓦和5兆瓦涡轮机中可将叶片尖端弯曲矩峰值降低多达20%，同时有效减轻了根部疲劳载荷和尖端位移。总之，掠角叶片在减少结构载荷和最小化变形方面非常有效。

然而，掠角叶片对风力涡轮机功率输出的影响仍不明确，不同研究得出了不同的结论。虽然许多研究表明可能提高功率输出，但也有一些研究认为可能会降低功率输出。在报告功率输出提升的研究中，Thangavelu[25]指出，配备掠角叶片的2.2兆瓦风力涡轮机在各种偏航角度下的功率输出增加了6%–17%。Kaya[26]观察到小型风力涡轮机的功率系数提高了4.28%。此外，Capuzzi[27]采用材料-几何耦合的自适应掠角设计使年能量产量增加了约1.7%。Wardhana[28]利用多掠角配置在15米/秒风速下实现了扭矩增加14.6%。Ismail[29]指出，掠角叶片在高速尖端比下提高了效率并降低了载荷。Fritz[30]强调，掠角叶片在不牺牲功率输出的情况下降低了疲劳载荷。然而，一些研究得出了相反的结论：基于参数化掠角设计，Huang[14]和Kaya[15]发现后掠会降低功率输出，而前掠则更有利于提高功率。显然，关于叶片掠角对功率输出的影响尚未达成明确共识，特别是现有研究主要集中在5兆瓦及以下功率等级的涡轮机上。鉴于当前开发超长柔性叶片的趋势，研究大型风力涡轮机叶片中的弯曲-扭转耦合效应对于评估运行安全性和效率至关重要。

本研究通过关注15兆瓦风力涡轮机来填补这一研究空白。理论基础遵循[31]中建立的非线性气动弹性耦合动态模型，该模型结合了叶片元素动量理论（Blade Element Momentum，BEM）和几何精确梁理论（Geometrically Exact Beam Theory，GEBT）。叶片的参数化设计采用三参数曲线方法实现，能够独立控制掠角的幅度和跨度起始位置。该工作系统地研究了以下因素的影响：（1）后掠幅度和起始位置；（2）前掠幅度和起始位置；（3）预弯曲幅度和起始位置对叶片动态响应和涡轮机功率输出的影响，阐明了如何通过战略性掠角和预弯曲来优化现代大型风力涡轮机的空气动力结构和发电性能。

计算建模框架

风力涡轮机叶片的结构动力学采用沿跨度的非线性一维梁公式进行建模，截面属性通过线性二维分析解决。这种方法将三维问题分解为二维问题，已被证明在计算成本降低的情况下，能够实现与使用实体元素的全三维有限元分析相当的精度，无论是全局行为还是局部应力/应变分布

三参数后掠风力涡轮机叶片的动态响应分析

为了消除初始瞬态的影响，通过从大约170–200秒的模拟数据中提取的载荷波动低谷来定义一个稳定周期。这一周期定义在整个后续分析中始终得到应用。

三参数前掠风力涡轮机叶片的动态响应分析

第3.4节表明，虽然前掠参数有助于减少动态载荷，但它也会改变轴向力矩的方向。这种双重影响突显了该参数在气动弹性设计中的关键作用，其复杂的耦合机制需要通过系统的参数化研究进一步探讨。为了阐明前掠相关参数对风力涡轮机叶片气动弹性的影响，进行了一系列数值模拟

三参数预弯曲风力涡轮机叶片的动态响应分析

预弯曲叶片设计增加了叶片尖端与塔架结构之间的间隙，从而降低了塔架撞击风险。本节研究了在正常运行条件（轮毂高度风速：10.5米/秒）下预弯曲风力涡轮机的动态响应，保持恒定进气条件以隔离预弯曲参数的影响。研究重点关注两个关键设计参数：预弯曲幅度和起始位置。

结论

研究表明，叶片堆叠方式的策略性设计显著提高了大型风力涡轮机的空气动力结构性能。结合叶片元素动量理论（Blade Element Momentum，BEM）和几何精确梁理论（Geometrically Exact Beam Theory）的数值框架有效捕捉了几何非线性效应。结果表明，增加后掠幅度能有效降低结构载荷，且随着掠角起始位置的增加，载荷降低效果更加明显

CRediT作者贡献声明

赵星伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思、方法论、初稿撰写。何中海：初稿撰写、可视化、调查、正式分析、数据整理。姜文豪：调查、数据整理。赵颖：方法论、调查、资金获取。黄点贵：审稿与编辑、方法论、资金获取。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52106263、52036005、12472175）和上海科技大学中央高校基本科研业务费及高性能计算中心的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。