本文將介紹功率10kW的具有織物覆蓋的風力渦輪機葉片，其研發過程中的結構設計、分析和測試。

圖 由韓國能源研究所設計的具有空氣動力學特性的葉片外形

韓國正在努力建設可持續性發展城市，通過“綠色新政”，大力投資可再生能源行業，包括計劃建造世界上最大的海上風力發電廠。如果沒有一流的研究設施來應對這些艱巨的工程挑戰，那么將無法實現如此大規模的項目。

韓國能源研究所致力于先實現碳中和，其風能研究小組的戰略重點是開發風力渦輪機技術，進行性能測試和認證。他們借助在結構、空氣動力學設計和分析方面的專業知識，將這項“綠色新政”付諸實踐。

挑戰

由于發電效率的不斷提高，風力渦輪機的尺寸也越來越大，這反而又給建造、運輸和安裝帶來了挑戰。如何減輕葉片的重量已成為一個關鍵問題。

通用電氣 (GE) 公司和國家可再生能源實驗室 (NREL) 推出了一種織物覆蓋的風力渦輪機葉片 [1]，可以減輕葉片的重量和制造成本。在重量平衡方面，這是一項艱巨的工程任務。增加的織物的質量使得設計需要進行修改，來保證屈曲余量，這導致很難減輕葉片的重量。

有很多因素需要考慮，材料、形狀、加強筋、翼梁。仿真方法提供了一個合適的開發平臺來探索這些方面的設計權衡。

織物覆蓋的風力渦輪機 (WT) 葉片的概念結構圖 

解決方案

由DrDong-KukChoi領導的韓國航空航天大學機械工程小組對織物覆蓋的葉片進行了計算和實驗研究，確認了葉片的結構完整性與典型的風力渦輪機葉片相似。實驗選用了較小的10 kW功率的復合材料風力渦輪機葉片，因為這樣的葉片可以在大學實驗室中制造和測試。

使用變分漸近梁截面分析(VABS) ，根據橫截面來設計葉片。使用 MSC Nastran 在設計載荷下進行結構分析。并且對風力渦輪機在多種條件下進行仿真，包括正常發電、停機、緊急停機和停車的情況。

模態、靜力和其他結構分析可以確定主梁可以承受剪切載荷并安全運行。

三維葉片有限元模型

三維葉片模型（左）撓度（右）

Tsai-Wu失效準則指標的結構分析結果

結果

MSC Nastran 特有的優勢之一是，仿真結果與實際測試數據的匹配度很高。本研究中實驗結果和分析結果之間的差異 < 10%。

韓國航空航天大學

用于測試翼型葉片的物理測試設備

在這項研究中，FEA 結果與帶有單軸加速度傳感器、沖擊錘和 DAQ 系統的模態測試結果進行了比較。在測試臺上，單軸加速度傳感器將擺動方向和邊緣方向的加速度轉換為電信號，沖擊錘將激勵施加到葉片上。DAQ 系統在葉片振動時測量加速度數據。對葉片在多種負載和多種配置下進行了測試，包括沿邊緣和擺動方向。MSC Nastran 在擺動和邊緣方向與實驗的匹配度誤差分別為7.37% 和9.45% 。

擁有織物覆蓋的葉片的準確 FEA模型將極大地幫助可再生能源行業建立一個更加可持續性的未來。