風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計及其有限元分析報告(精品doc)

1、word風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計與其有限元分析摘要為了更好地開展我國的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的國產(chǎn) 化，必須深入開展風(fēng)力機(jī)設(shè)計、分析方面的研究。本文根據(jù)傳統(tǒng)的 的葉片設(shè)計方法設(shè)計了 2MW風(fēng)力機(jī)葉片，并生成三維幾何模型， 然后利用有限元模擬對葉片進(jìn)展了振動模態(tài)分析，得到各階振動頻 率和振型，為防止結(jié)構(gòu)共振提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)，葉片，有限元模擬，優(yōu)化THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE PONENTSABSTRACTIn order to promote the capability of design and man

2、ufacturing of windturbine in China, more study should be done in the field of wind turbinedesign and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designedaccording to the traditional design procedure and the 3D geometrical modelis created. Then the modal analysis is done through the FE s

3、imulation to getthe frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to preventresonance.KEY WORDS: wind turbine, blade, FE simulation, optimization第一章緒論1.1 能源問題與可再生能源的現(xiàn)狀與開展受世界經(jīng)濟(jì)的開展和人口增長的影響，世界一次性能源消費量持續(xù)增加， 1990年世界國生產(chǎn)總值為26.5萬億美元（按1995年不變價格計算），2000年達(dá)到 萬億美元，年均增長2.7%。根據(jù)2004年BP能源統(tǒng)計，1973年世界一次能

4、 源消費量僅為57.3億噸油當(dāng)量，2003年已達(dá)到97.4億噸油當(dāng)量。過去30年來， 世界能源消費量年均增長率為1.8%左右。如此大增長幅度的消費量使世界能源的 利用面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)1。世界上能源的主要形式是以煤、石油為主的化石能源、核能以與可再生的水 利能源、太陽能。但是，人類所能夠利用的化石資源是有限的，人們對能源的需 求也在不斷增長，近年來平均以5%的速度遞增，造成能源供需矛盾的加劇。如 果不盡早調(diào)整以化石能源為主體的能源結(jié)構(gòu)，勢必會形成對數(shù)億年來地球積累的生物化石遺產(chǎn)更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導(dǎo)致有限的化石能源趨于枯竭，人 類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的惡性循環(huán)，不利于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境的協(xié)

5、調(diào)開展。中國在過去幾十年經(jīng)濟(jì)實力有了顯著的提高，但是這很大方面是犧牲了大量 資源、破壞了生態(tài)環(huán)境換來的。想要使得中國經(jīng)濟(jì)有持續(xù)穩(wěn)定的增長，居民生活質(zhì)量有大幅提高，必須轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長策略，控制不可再生能源的開采，大力開展 新能源，實現(xiàn)社會的和諧開展。風(fēng)能、太陽能、潮汐能都是重要的新能源，其中 產(chǎn)業(yè)化最為成熟的首推風(fēng)能。據(jù)估計全球風(fēng)能儲量儲量約為X109MW,其中可開發(fā)利用量約為2X107MW,比全球可開發(fā)利用的水能總量要大10倍。風(fēng)力發(fā) 電在世界各國已經(jīng)受到高度重視，截至 2004年底，德國、西班牙、美國、丹麥 和印度的風(fēng)電裝機(jī)總量為38000MW,占世界風(fēng)電市場份額的79%3 0中國陸地風(fēng)能資源

6、理論總儲量約為32.26億kW,經(jīng)濟(jì)可開發(fā)利用量約為億 kW,海上風(fēng)能實際可開發(fā)量約為7.5億kW,共計10億kW。中國的風(fēng)能資源主 要分布在東南沿海與附近島嶼、“三北地區(qū)（西北、華北、東北）和青藏高原等 40中國開展風(fēng)力發(fā)電較晚，但是開展速度比擬快。20世紀(jì)90年代以來，并網(wǎng) 風(fēng)電場裝機(jī)容量以平均每年30%左右的幅度遞增，至2004年底，中國風(fēng)電裝機(jī) 容量規(guī)模達(dá)，占中國電力總裝機(jī)規(guī)模的 0.17%,其發(fā)電量占總電量的0.08%。與 歐美等國相比，中國的風(fēng)力發(fā)電還十分滯后，必須加快開展步伐。中國制定了風(fēng) 電開展遠(yuǎn)景規(guī)劃目標(biāo)，計劃到2020年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)到30000MW5。1.2 風(fēng)力發(fā)電

7、機(jī)的設(shè)計與分析現(xiàn)狀1.2.1 國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)，世界各國已經(jīng)研制出許多小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以供居民生活用電； 但是在現(xiàn)今社會，要想實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，必須要依靠型風(fēng)力機(jī)，其功率為幾十、上 百千瓦直到兆瓦，尤其是兆瓦級風(fēng)力機(jī)更是大型電廠并網(wǎng)發(fā)電所急需的。早在20世紀(jì)70年代，美國和歐洲就開始研究兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如美國 MOD-5B風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑，在風(fēng)速下輸出功率，由于當(dāng)時技術(shù)的原因，兆瓦級風(fēng)力 發(fā)電機(jī)未能商品化生產(chǎn)。到了二十世紀(jì) 80年代，歐洲又開始投入兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)，丹麥、英國等國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正式投入商業(yè)運營。到了二十世紀(jì)90年代，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了進(jìn)一步的

8、開展，荷蘭、德國、丹麥、瑞 典、意大利、英國都先后研制成功14MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組6?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)過幾十年的研究和開展，就機(jī)組技術(shù)而言正逐步呈現(xiàn)以 下趨勢：A.由定槳距向變槳距機(jī)型開展。變槳距風(fēng)力機(jī)組在低風(fēng)速區(qū)的輸出功率可以高 于定槳距機(jī)組，但是其機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)變得更復(fù)雜。B.機(jī)組由定速運行向變速運行開展。變速運行的優(yōu)點在于可以在低風(fēng)速區(qū)以最 優(yōu)尖速比運行而最多地獲得風(fēng)能。C.有齒輪箱式向直接驅(qū)動式開展。無齒輪箱后的機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，可靠性增加。 D.由單一陸地型機(jī)組逐漸開始向海上機(jī)組開展。海上風(fēng)電場的建立大大節(jié)省 了寶貴的陸地面積，而且風(fēng)資源狀況更好。E.由百kW級向MW級乃至多MW級開

9、展。為的是提高單位土地面積的發(fā)電 量。在近二十年的時間，從國外風(fēng)機(jī)容量由55kW開展到5MW,葉輪直徑由15m 加長到125m,可靠性從50%提高到98%等事實，可以說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開展 趨勢是功率較大、重量較輕、造價較低、可靠性較高 口。1.2.2 國風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研制和使用是從 20世紀(jì)90年代開始的，起步比擬 晚。在“八五和“九五期間，我國將風(fēng)能應(yīng)用列入了國家重點科技攻關(guān)項目， 并組織了多家科研單位進(jìn)展攻關(guān)，取得了一定成績。在較短時間實現(xiàn)了技術(shù)跨越。 目前已經(jīng)研制成功200kW和600kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并投入批量生產(chǎn)。在大型風(fēng) 電機(jī)葉片的設(shè)計和性能計算能力方面，

10、國已經(jīng)有較成熟的方法和工具，而且技術(shù) 力量比擬強(qiáng)。能夠完成葉片的氣動外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能計算、載荷計算和氣彈 穩(wěn)定性計算等工作。葉片是風(fēng)電機(jī)組中的關(guān)鍵零件。通過國家“九五科技攻關(guān)，國產(chǎn)（惠騰公司生產(chǎn)）的600kW定槳距葉片已為國產(chǎn)整機(jī)配套制造了 30多片。同時形成了大 型葉片的設(shè)計、制造工藝、試驗、產(chǎn)品售后服務(wù)等方面的能力。在失速型風(fēng)電機(jī) 的控制領(lǐng)域，由中科院電工所、大學(xué)、金風(fēng)科技股份公司等單位開發(fā)研制了具有 自主知識產(chǎn)權(quán)的兩種600kW電控系統(tǒng)（IPC和PLC）,并分別投入運行兩年和一年 多，經(jīng)過了實際運行考驗，為今后更大容量風(fēng)電機(jī)電控系統(tǒng)研制創(chuàng)造了良好條件。 在風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵零部件中，增速箱

11、、發(fā)電機(jī)已實現(xiàn)了國產(chǎn)化。并針對大型風(fēng)電機(jī) 齒輪箱普遍出現(xiàn)點蝕、微點蝕等現(xiàn)象采取了多種強(qiáng)化措施并收到良好效果。進(jìn)入 “十五以后，國家加大了對風(fēng)能利用的投入力度，將風(fēng)能作為國家863計劃能源技術(shù)領(lǐng)域后續(xù)能源主題中的一個主攻方向，開展了 MW級風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的專 題研究。預(yù)計在五年，將誕生國產(chǎn)的MW 級失速型風(fēng)電機(jī)和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組 網(wǎng)。 在我國風(fēng)電場建設(shè)的投資中，機(jī)組設(shè)備約占70%,實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化、降低工程造 價是風(fēng)電場大規(guī)模開展的需要。但樣機(jī)的研制與形成產(chǎn)品需要很大的投入， 為了 跟上世界技術(shù)開展水平，用引進(jìn)國外先進(jìn)成熟的技術(shù)，經(jīng)過消化、吸收逐步實現(xiàn) 國產(chǎn)化的方案，是符合我國國情的。大型風(fēng)電機(jī)的主

12、要部件在國制造，其本錢可 比進(jìn)口機(jī)組降低20%-30%0因此，國產(chǎn)化是我國大型風(fēng)力機(jī)開展的必然趨勢。我 國大型風(fēng)電機(jī)的國產(chǎn)化從250-300千瓦機(jī)組開始，開展到600千瓦。塔架可以在 國制造，發(fā)電機(jī)和輪轂也已在國試制出來， 將上述部件安裝在進(jìn)口風(fēng)力發(fā)電機(jī)上 考核，如果質(zhì)量達(dá)到原裝機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)就可以替代進(jìn)口件。目前，塔架、發(fā)電機(jī)和齒 輪箱等部件的制造技術(shù)已根本掌握。葉片和控制系統(tǒng)的制造技術(shù)亦取得進(jìn)展，其他部件如齒輪箱、主軸、剎車盤和迎風(fēng)機(jī)構(gòu)都可以在國試制成功后取代進(jìn)口件。 根據(jù)我國的生產(chǎn)水平和技術(shù)能力，大型風(fēng)力機(jī)國產(chǎn)化是完全可行的。風(fēng)力機(jī)設(shè)計 是一門綜合技術(shù)，涉與到空氣動力學(xué) 網(wǎng)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、氣象學(xué)

13、10、機(jī)電工程1小 自動控制12、計算機(jī)等專業(yè)技術(shù)。我國對風(fēng)力設(shè)計技術(shù)主要進(jìn)展了風(fēng)力機(jī)空氣 動力設(shè)計和計算方法，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動力計算和分析方法，風(fēng)力機(jī)玻璃鋼葉片設(shè)計 方法，風(fēng)力機(jī)變速包頻發(fā)電機(jī)技術(shù)，風(fēng)力機(jī)自動控制技術(shù)，風(fēng)力機(jī)調(diào)限速特 性，風(fēng)力機(jī)調(diào)向特性，風(fēng)力機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計和軟件包開發(fā)等研究工作，取得了較快的進(jìn)展。尤其是金風(fēng)科技公司已經(jīng)形成了 600千瓦、750千瓦、1.2兆瓦系 列化產(chǎn)品，技術(shù)水平均達(dá)到國領(lǐng)先水平，所有機(jī)組均獲得德國勞埃德認(rèn)證， 機(jī)組 最高國產(chǎn)化率超過90%,其中1.2兆瓦機(jī)組技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平13。我國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步， 但是同國外風(fēng)機(jī)技術(shù)14-19開

14、展 相比仍然非常落后。我國對于大型 MW級風(fēng)機(jī)仍然處于研究階段。隨著風(fēng)力發(fā) 電行業(yè)的大幅度開展，很多傳統(tǒng)大型企業(yè)已經(jīng)開始介入到風(fēng)力機(jī)制造領(lǐng)域，但技術(shù)多為從國外引進(jìn)。作為擁有如此豐富風(fēng)能資源的大國，必須擁有對于大型風(fēng)機(jī) 的設(shè)計、生產(chǎn)與安裝維護(hù)的核心技術(shù)，才可以使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國得到最大 限度的開展，解決我國的能源問題。因此，大力開展與深入對風(fēng)力機(jī)的研究已經(jīng) 成為當(dāng)務(wù)之急。1.3 數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)力機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)是一個涉與多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)。設(shè)計像這類復(fù)雜的系統(tǒng)，需要有 完善的分析技術(shù)來支持。從初始設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，乃至到樣機(jī)試制階段的整個設(shè) 計過程中，應(yīng)該有詳盡程度不同的分析。要完成這樣

15、的分析，必須要利用計算機(jī) 來輔助進(jìn)展。在風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計的實際過程中，利用計算機(jī)，把葉片截面外形各點的坐標(biāo) 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換形成葉片三維線框模型數(shù)據(jù)，用三次參數(shù)樣條曲線擬合葉片翼型曲 線，將三維坐標(biāo)經(jīng)過投影變換到平面坐標(biāo)上（稱為世界坐標(biāo)），再將世界坐標(biāo)變換 到設(shè)備坐標(biāo)上，最后通過繪圖函數(shù)將變換后的數(shù)據(jù)用圖形顯示在屏幕上， 從而可 以立體顯示葉片截面與其結(jié)構(gòu)。目前己經(jīng)編制出風(fēng)力機(jī)載荷計算軟件包 STADS和STADYN ,前者主要用于 靜態(tài)計算，后者可以根據(jù)計算的加速度值進(jìn)展變速設(shè)計，主要用于動態(tài)載荷計算。1984年P(guān)owles和Anderson開發(fā)出了風(fēng)力機(jī)載荷分析軟件，它將隨機(jī)載荷作為一 個主要的

16、考慮因素。Ma1colm和Wright在1994年使用大型專用動力學(xué)軟件 ADAMS來對在隨機(jī)載荷情況下對風(fēng)力機(jī)的響應(yīng)建模，但是這種方法需要自由 度較多，化費時間也很多。 Wilsonetal和Freeman在1994年研制了一套能夠?qū)?風(fēng)機(jī)的疲勞、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)和紊流進(jìn)展計算的軟件 FAST,這套軟件做了幾點 簡化:軟件只適用于葉輪常速運轉(zhuǎn)；紊流只是在每個葉片上的一點處存在，沒有考 慮整個葉片的紊流。Wright和Butterfield編制出了能夠設(shè)技和分析蹺蹺板式葉輪 風(fēng)力機(jī)的軟件包。Garrad Hassanand Partners Limited司研制出了風(fēng)力機(jī)大型設(shè) 計軟件Blad

17、ed for Windows,這套軟件可以對風(fēng)力機(jī)設(shè)計中的各個局部，包括葉 片翼型選擇與設(shè)計計算、傳動鏈的配置形式、控制方式的選擇、載荷的計算、疲 勞分析等等進(jìn)展有效的計算與驗證，是目前不可多得的功能較豐富的風(fēng)力機(jī)設(shè)計 軟件?，F(xiàn)在還能夠通過在計算機(jī)上建立風(fēng)力的數(shù)字化實時仿真器，可以準(zhǔn)確的模擬出風(fēng)力機(jī)在各種不同的運行情況下各個零部件的動態(tài)性能20o葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中極其關(guān)鍵的部件，葉片的動力學(xué)特性非常復(fù)雜，更為研究者所關(guān)注。包能勝等人運用有限元方法對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的固有振動特性進(jìn)展了分析， 采用國際通用的大型有限元分析程序 ALGOR-FEAS以實際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模 型7FD-200為例

18、，計算了葉片的低階固有頻率和振型，并且結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 葉片的實際特點，以BORLANDC3.1語言為編程工具，在AUTOCAD 12 for WinADS(AutoCAD Development System)環(huán)境下開發(fā)了簡單易用的前處理模塊。 自動生成葉片的有限元網(wǎng)格圖，但是他們計算所采用的是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉 片。其葉片部結(jié)構(gòu)較簡單，假設(shè)葉片沿長度方向輪廓一致，沒有扭曲，并假設(shè)葉 片是質(zhì)量完全均勻分布的。因此，該分析不適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片部結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜， 在構(gòu)造其有限元網(wǎng)格時，應(yīng)注意葉片部實 際的質(zhì)量、材料分布，這樣才能確保計算結(jié)果與實際值相吻合。在傳統(tǒng)風(fēng)

19、力發(fā)電機(jī)組塔架設(shè)計中，實際結(jié)構(gòu)尺寸一般采用類比設(shè)計方法確 定，然后再用材料力學(xué)或者彈性力學(xué)公式校核具強(qiáng)度和剛度。而在塔架振動特性 的計算中，通常將其簡化為由多個集中質(zhì)點組成的多自由度體系，計算誤差較大。近年來，有限元計算已經(jīng)開始應(yīng)用于塔架結(jié)構(gòu)的計算中，其計算精度大大提高。 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計分析中必須考慮塔架的固有振動特性與風(fēng)誘發(fā)的塔架振動， 它直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作可靠性，由于塔架問題相對葉片、輪轂和機(jī)艙底 板來說比擬簡單，許多人對塔架的靜態(tài)特性以與安裝在硬地基上的塔架的動態(tài)特 性做了研究，也比擬成熟的成果。隨著氣彈性有限元理論的開展，人們開始在研究直升機(jī)葉片中采用有限元模 型并將該研究

20、方法引入到與直升機(jī)系統(tǒng)動態(tài)特性相類似的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架和 葉輪的耦合系統(tǒng)中。彥等人在研究大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時，將葉片簡化為5節(jié)點15自由度梁單元，考慮到葉片根部揮舞、擺振和變矩三個較 的剛體運動，最終形成了 5節(jié)點18自由度的有限元模型，并應(yīng)用Hamilton原理 在非慣性系中建立了葉片的動力學(xué)方程，采用此模型使得對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的 運動描述更加準(zhǔn)確，提高了計算結(jié)果的精度21 o1.4 本文的研究容與意義風(fēng)力機(jī)葉片幾何模型的生成：根據(jù)傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計理論進(jìn)展MW級風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計并建立葉片的三維幾何型。風(fēng)力機(jī)葉片有限元模型的生成：根據(jù)葉片的幾何模型以與葉片的實際結(jié)構(gòu)劃 分網(wǎng)

21、格、定義材料參數(shù)等生成葉片的有限元模型。風(fēng)力機(jī)葉片的有限元分析：對葉片進(jìn)展動力學(xué)分析，分析葉片的各階振動頻 率和振型，為防止結(jié)構(gòu)共振提供了依據(jù)。在這種大趨勢的推動下，很多企業(yè)都開始在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)展投資， 生產(chǎn)整 機(jī)或者風(fēng)力機(jī)組件。在國大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)并不成熟的情況下必須從國 外引進(jìn)技術(shù)，利用國外資源開展本國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)。 由于風(fēng)力機(jī)設(shè)計與風(fēng)場當(dāng) 地的氣候條件有很大關(guān)系，因此在引進(jìn)國外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)時必須本土化， 設(shè)計生 產(chǎn)出適合我國的當(dāng)?shù)貧夂虻娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)。在進(jìn)展風(fēng)力機(jī)本土化的過程中，風(fēng)力機(jī)葉片以與塔架是重要的改良部件，必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r對葉片做各種分析，然后進(jìn)展改良。另外，在今后的

22、設(shè)計與研究中，計算機(jī)以與數(shù)字化技術(shù)肯定會發(fā)揮越來越大 的作用，將風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度分析與優(yōu)化相結(jié)合必然是一個開 展方向。第二章風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計2.1風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為兩類。其一是垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪軸是垂直布置 的，葉片帶動風(fēng)輪軸驅(qū)動所要驅(qū)動的機(jī)械。其二是水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片安裝在水 平軸上，葉片承受風(fēng)能轉(zhuǎn)動去驅(qū)動所要驅(qū)動的機(jī)械。 現(xiàn)在在世界上廣泛使用的用 于并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力機(jī)多為三葉片的水平軸大型風(fēng)機(jī)。1 .垂直軸風(fēng)力機(jī)現(xiàn)代垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)很少商品化生產(chǎn)。主要原因是效率低，需啟動設(shè)備。 但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)點很多，增速器、聯(lián)軸器、制動器、發(fā)電機(jī)都可以安裝在 地面

23、上，安裝、維修都非常方便，不用調(diào)向，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比擬典型的是達(dá) 里厄垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和S型風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖2-122。a）達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)b） S型風(fēng)輪圖2-1垂直軸風(fēng)力機(jī)2 .水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為成功的一種形式。水平軸風(fēng)力機(jī)的開展也是經(jīng)過了由低速到高速逐漸開展的階段。水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直，如圖 2-2所示。風(fēng)輪 上的葉片是徑向安置的，與旋轉(zhuǎn)軸相垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一個角度？（安 裝角）。風(fēng)輪葉片數(shù)目的多少，視風(fēng)力機(jī)的用途而定。用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)一 般葉片數(shù)取1-4（大多為2片或3片），而

24、用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)一般取葉片數(shù) 12-24。葉片數(shù)多的風(fēng)力機(jī)通常稱為低速風(fēng)力機(jī)，它在低速運行時，有較高的風(fēng) 能利用系數(shù)和較大的轉(zhuǎn)矩。它的起動力矩大，起動風(fēng)速低，因而適用于提水。葉 片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)通常稱為高速風(fēng)力機(jī)，它在高速運行時有較高的風(fēng)能利用系數(shù)， 但起動風(fēng)速較高。由于其葉片數(shù)很少，在輸出同樣功率的條件下比低速風(fēng)輪要輕 得多，因此適用于發(fā)電。a）高速風(fēng)力機(jī)b）低速風(fēng)力機(jī)圖2-2水平軸風(fēng)力機(jī)現(xiàn)在在并網(wǎng)發(fā)電中廣泛使用的MW級水平軸風(fēng)力機(jī)主要由葉片、輪轂、風(fēng)輪軸、 低速軸聯(lián)軸器、增速器、高速軸聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)速裝置、調(diào)向裝置、 制動器等組成，典型結(jié)構(gòu)如圖2-313。風(fēng)力機(jī)主機(jī)艙包含齒輪箱

25、、發(fā)電機(jī)、控制 柜、偏航偏漿等多數(shù)結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)首先通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)將動力傳到齒輪變速機(jī)構(gòu)， 變速后傳到發(fā)電機(jī)軸帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電， 然后通過塔架中的結(jié)構(gòu)導(dǎo)出。偏航偏 漿系統(tǒng)針對不同的風(fēng)速風(fēng)向?qū)︼L(fēng)力機(jī)葉片的位置進(jìn)展調(diào)整。圖2-3大型水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2 風(fēng)力機(jī)葉片介紹2.2.1 風(fēng)力機(jī)葉片的材料和設(shè)計葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最根底和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運行的決定因素。惡劣的環(huán)境和長期不停地運 轉(zhuǎn)，對葉片的要求有：比重輕且具有最優(yōu)的疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能，能經(jīng)受暴風(fēng)等極端惡劣條件和隨機(jī)負(fù)荷的考驗；葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性與其振動頻率特性 曲線都正常，傳遞給整個

26、發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定性好； 耐腐蝕、紫外線照射和雷擊 的性能好；發(fā)電本錢較低，維護(hù)費用最低。風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由木質(zhì)、帆布等開展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （玻璃鋼）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。其中新型玻璃鋼葉片材料因為其重量輕、比 強(qiáng)度高、可設(shè)計性強(qiáng)、價格比擬廉價等因素開始成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的主流。 然而，隨著風(fēng)機(jī)葉片朝著超大型化和輕量化的方向開展，玻璃鋼復(fù)合材料也開始達(dá)到了其使用性能的極限。碳纖維復(fù)合材料CFRP逐漸應(yīng)用到超大型風(fēng)機(jī)葉片中。 風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是要通過空氣動力學(xué)分析，充分利用復(fù)合材料的性能使大型葉

27、片以最小的質(zhì)量獲得最大的掃風(fēng)面積，從而使葉片具有更高的捕風(fēng)能力。 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的增大，風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量和費用隨著其長度的增加也迅 速的增加，如何通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和提高材料的性能來降低葉片的質(zhì)量便至 關(guān)重要了。在玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)形式中，葉片剖面與根端構(gòu)造的設(shè)計最為重要。 選擇葉剖面與根端形式要考慮玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能與成型工藝。風(fēng) 機(jī)葉片要承受較大的載荷通常要考慮5060 m/s的極端風(fēng)載，為提高葉片的強(qiáng)度 和剛度，防止局部失穩(wěn)，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動外殼的結(jié)構(gòu)形式。主梁承當(dāng)大局部彎曲載荷，而外殼除滿足氣動性能外也承當(dāng)局部彎曲載荷。 主梁常用 D型、O型、矩形和雙拼槽

28、鋼等形式。風(fēng)機(jī)葉片翼型氣動性能的好壞直接決定了葉片風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的上下。低速風(fēng)機(jī)葉片采用薄而略凹的翼型，現(xiàn)代高速風(fēng)機(jī)葉片都采用流線型葉片， 其翼型通常 從NACA和Gottigen系列中選取。這些翼型的特點是阻力小、空氣動力效率高 而且雷諾數(shù)也足夠大。早期的水平軸風(fēng)機(jī)葉片普遍采用航空翼型，NACA44xx和NACA230xx ,因為它們具有最大升力系數(shù)、高槳距、動量低和最小阻力系數(shù)低 等特點。隨著風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們逐漸開始認(rèn)識到傳統(tǒng)的航空翼型并 不適合設(shè)計高性能的葉片。美國、瑞典和丹麥等風(fēng)能技術(shù)興旺國家都在開展各自 的翼型系列。其中以瑞典的FFA-W系列翼型最具代表性。FFA-W系列翼

29、型的優(yōu) 點是在設(shè)計工況下具有較高的升力系數(shù)和升阻比， 并且在非設(shè)計工況下具有良好 的失速性能。在國，風(fēng)力發(fā)電機(jī)翼型的研究工作仍停留在普通航空翼型階段。最有代表性的是NACA系列，對新翼型的研究很少。由于缺乏風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用新翼 型的幾何參數(shù)和氣動性能參數(shù)，直接影響了我國大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動設(shè)計水平 23 02.2.2 風(fēng)力機(jī)葉片的制造隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，安裝發(fā)電機(jī)的塔座和捕捉風(fēng)能的復(fù)合材料 葉片做得越來越大。為了保證發(fā)電機(jī)運行平穩(wěn)和塔座安全， 不僅要求葉片的質(zhì)量 輕，還要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻， 外形尺寸精度控制準(zhǔn)確，長期使用性能可 靠。假如要滿足上述要求，需要有相應(yīng)的成型工藝來保證。

30、大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片蒙皮，主梁與其他GRP部件分別在專用模具上成型，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁 與其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。膠粘劑是葉片的重 要結(jié)構(gòu)材料。它應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和韌性以與良好的操作工藝性，如不坍落、易泵輸與室溫固化特性等。傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片多采用手糊工藝制造。手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要 缺點是生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量均勻性不好、產(chǎn)品的動靜平衡保證性差、廢品率較 高，特別是對高性能的復(fù)雜氣動外型和夾芯結(jié)構(gòu)葉片， 還往往需要粘接等二次加 工，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。由于手糊過程中含膠量不均勻，纖維/樹脂浸潤不良與固化不

31、完全等，常會引起風(fēng)機(jī)葉片在使用中出現(xiàn)裂紋斷裂和變形等問題。 因此，目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用 RIM、RTM、纏繞與預(yù)浸料/熱壓工藝制造，其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的大批量生產(chǎn) （>50 000片/年）；RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量的生產(chǎn) （5 00030 000片/年）；纏繞與預(yù)浸料/熱壓工藝適宜大型風(fēng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)24 25 26。RTM工藝的主要原理：在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計好的增強(qiáng)材 料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔。模具具有 周邊密封和緊固以與注射與排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動順暢并排出模腔中的全部

32、氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)可進(jìn)展加熱固化而成型復(fù)合材料構(gòu) 件。由于RTM工藝具有葉片整體閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高；初期投資 小制品外表光潔度高；成型效率高環(huán)境污染小等優(yōu)點，開始成為風(fēng)機(jī)葉片的重要 成型方法27 28。2.3 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計理論根底2.3.1 貝茨（Betz）理論世界上第一個關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片承受風(fēng)能的完整的理論是在1919年由A 貝茨（Betz）建立的。貝茨理論的建立，是假定風(fēng)輪是“理想的，全部承受 風(fēng)能（沒有輪轂），葉片無限多，對空氣流沒有阻力。空氣流是連續(xù)的，不可壓縮 的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后 都是垂直葉片掃掠

33、面的（或稱平行風(fēng)輪軸線的），這時的風(fēng)輪稱“理想風(fēng)輪 29 o 分析一個放置在移動的空氣中的“理想風(fēng)輪葉片上所受到的力以與移動空氣對風(fēng)輪葉片所做的功。設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 v1, V是實際通過風(fēng)輪的風(fēng)速，V2 是葉片掃掠后風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前風(fēng)速面積是S1,葉片掃掠風(fēng)速面積是S ,掃 掠后風(fēng)速面積為S2。風(fēng)吹到葉片上所做的功是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉片的機(jī)械能， 如此必有V2< V1, S> S。如圖2-4所示。圖2-4貝茨理論計算簡圖于是 S1V1 = S2 V2 = S V風(fēng)作用在葉片上的力由歐拉定理求得 F = p Sv（v2 -V1）式中p為空氣當(dāng)時的密度風(fēng)輪所承受的功率為N = F

34、v = pSV2（V2-V1）經(jīng)過風(fēng)輪葉片的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化 AT= pS v式中P Sv空氣質(zhì)量。N = AT v =因此，風(fēng)所用在風(fēng)輪葉片上的力F和風(fēng)輪輸出的功率N分別為F=P S v N= p S v 0風(fēng)速是給定的，N的大小取決于，N是的函數(shù)，對N微分求最大值, 得=pS (- 2 )令其等于0,求解方程，得求 Nnax得N max= p SCp,稱作貝茨功率系數(shù)，有 N max=Cp p S (2-1)而P S正是風(fēng)速為的風(fēng)能T ,故Nmax = C p T (2-2)C p=說明風(fēng)吹在葉片上，葉片上所能獲得的最大功率 N-x為風(fēng)吹過葉片掃掠 面積S風(fēng)能的59.3%。貝茨理論說明，理想的

35、風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是 59.3%。通常風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片承受風(fēng)能的效率不到 59.3%, 一般設(shè)計時根據(jù)葉片的數(shù) 量、葉片翼形、功率等情況，取5。2.3.2 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計的根本概念貝茨理論提供了風(fēng)能的根本理論，沒有提供風(fēng)力機(jī)葉片的幾何形狀，因為貝 茨理論假定的是理想風(fēng)輪。風(fēng)輪葉片的幾何形狀不同如此其空氣動力學(xué)特性也不 同。在未討論葉片的幾何形狀與動力學(xué)特性之前，先要明確下根本概念和術(shù)語。(1)葉尖速比。葉尖速比，簡稱尖速比，風(fēng)輪葉片尖端的線速度與風(fēng)速v之比，用人表小入(2-3)式中V 葉片尖端線速度，m/s； v 風(fēng)速，m/s； n 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min ； R風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑，m。低速風(fēng)

36、輪，入取小值；高速風(fēng)輪，入取大值。(2)翼的前緣。在圖2-5中，翼的前頭A為一圓頭，稱翼的前緣圖2-5翼的概念與翼的受力分析(3)翼的后緣。翼的尾部B為尖型，即翼的尖尾稱翼的后緣(4)翼弦。翼的前緣A與后緣B的連線稱翼的弦，AB的長是翼的弦長L,亦 稱翼弦。(5)翼的上外表。翼弦上面的弧面，即 ACB弧面稱翼的上外表。(6)翼的下外表。翼弦下部的弧面，即 ADB弧面稱翼的下外表。(7)翼的最大厚度ho翼的上外表與下外表相對應(yīng)的最大距離稱翼的最大厚度ho 一般翼的最大厚度距前緣占弦長的20%35%,當(dāng)厚度表達(dá)為弦長的函數(shù)稱 厚弦比或稱相對厚度，通常為10%15%。(8)翼展。葉片旋轉(zhuǎn)直徑，即風(fēng)輪

37、轉(zhuǎn)動直徑稱為翼展。(9)葉片安裝角。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所成的角 9稱葉片安裝角。在扭曲葉片中，沿翼展方向不同位置葉片的安裝角各不一樣，用 01來表示。(10)迎角a。翼弦與相對風(fēng)速所成的角稱迎角，亦稱攻角。(11)展弦比。翼展的平方與翼的面積Sy之比，即風(fēng)輪直徑的平方與葉片面積 之比，稱展弦比，用Rz表示式中Lm平均弦長，m； S y葉片面積，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑， m 翼的氣動俯仰力矩。各種翼形總有一個點，空氣動力 F作用在這個點的力 矩為零，此點稱壓力中心。當(dāng)葉片縱梁沒有通過這個點就會對縱梁形成力矩，這力矩稱氣動俯仰力矩。壓力中心至前緣的距離，設(shè)計時通常取。氣動俯 仰力矩表達(dá)式為：1 22 y m

38、 M = p S C Lv(2-5)式中yS 葉片面積；mC 俯仰力矩系數(shù)；L 翼的弦長。(13)失速風(fēng)吹在翼型上時使翼產(chǎn)生升力L F和阻力DF ,升力與阻力之比稱作翼形的升阻 比，用L D來表示L LD DL D F C F C式中L C 升力系數(shù)；D C 阻力系數(shù)；L F 升力，N或kN; D C 阻力，N或kN。升力隨迎角a的增加而增加，阻力d F隨迎角的增加而減小。當(dāng)迎角增加到某一臨界值cr a時，升力突然減小而阻力急劇增加，此時風(fēng)輪葉片突然喪失支撐力，這種現(xiàn)象稱為失速。(14)風(fēng)輪。風(fēng)輪就是葉片安裝在輪轂上的總成。交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計18(15)葉片。葉片是承受

39、風(fēng)能的根本部件。葉片的翼型與扭曲、葉片的數(shù)量和尖 速比都直接影響葉片承受風(fēng)能的效率。(16)葉片旋轉(zhuǎn)平面。葉片轉(zhuǎn)動時所形成的圓面。(17)風(fēng)輪直徑。葉片轉(zhuǎn)動掃掠面的直徑，亦稱葉片直徑。2.3.3風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計計算在貝茨根本理論的根底上，通過實踐總結(jié)出了一套設(shè)計風(fēng)力機(jī)的經(jīng)驗公式，可 以為以后的葉片設(shè)計提供依據(jù)23 o1 .風(fēng)力機(jī)的有效功率風(fēng)力機(jī)的有效功率eN (W)可由下式求得3Ne= KCaCtSVq (2-6)式中K 單位換算系數(shù)；aC -空氣高度密度換算系數(shù)，它是指不同海拔高度空氣密度的修正值;tC -空氣溫度密度修正系數(shù)，溫度不同時空氣密度也不同；S 風(fēng)輪葉片掃掠面積，m2；v 風(fēng)速，m

40、/ s；“一風(fēng)力機(jī)全效率。風(fēng)力機(jī)的全效率一般取 4=25%50%。低速風(fēng)力機(jī)取最小值，13葉片高速風(fēng)力機(jī)取最大值；一般設(shè)計時高速風(fēng)力機(jī)取30%50% o2 .風(fēng)輪葉片掃掠面積S與風(fēng)輪直徑d確實定(1)風(fēng)輪掃掠面積S確實定風(fēng)力機(jī)的有效功率3e a tN = KC C SVT,故風(fēng)輪掃掠面積S為3ea tS NKC C v ”=(2-7)(2)風(fēng)輪直徑確實定求出葉片掃掠面積S之后，便可計算出風(fēng)輪直徑dod = 2 S 兀(2-8)(3)確定風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)與風(fēng)力機(jī)的用途有關(guān)，與尖速比有一定的匹配，一般大型風(fēng)機(jī) 采用三葉片。(4)確定單個葉片的面積y S風(fēng)力機(jī)承受風(fēng)能的效率，與葉片翼形、尖

41、速比等因素有關(guān)，同時還與密實比有關(guān)。所謂密實比就是葉片本身的面積y kS與葉片掃掠面積S之比。密實比愈高的片，其尖速比愈低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也愈低，葉片也愈多。多葉片低轉(zhuǎn)速風(fēng)輪啟動性能好，適用于風(fēng)力機(jī)抽水、碾米、壓縮空氣；密實比愈低的葉片，其尖速比愈高，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速愈高，葉片數(shù)愈少，適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 'yS K S k 二(2-9)式中k風(fēng)輪葉片數(shù)；K'密實比。3.風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n的計算與增速比i確實定(1)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n的計算風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n主要取決于風(fēng)力機(jī)的用途，即主要取決于尖速比入。尖速比入愈大如此風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速愈高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片的尖速比常取57。602 n v R入冗=(r/min) (2-

42、10)式中R 風(fēng)輪半徑，m。增速比i確實定風(fēng)輪承受風(fēng)能傳動，一般不會通過風(fēng)輪軸直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，因為目前發(fā)電機(jī)多數(shù)為4、6、8極，它們同步轉(zhuǎn)速為1500、1000、750r/min,與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相差太多， 所以采用增速器將低轉(zhuǎn)速的風(fēng)輪與高轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，相互匹配?，F(xiàn)在的交流或支直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速愈低其效率也愈低，但為了減小增速比，又往 往選擇低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，以減少增速器的傳動比，減少齒輪，降低生產(chǎn)本錢，增 強(qiáng)可靠性。增速比i由下式給出i nD n =(2-11) 式中d n 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； n 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min 4.葉片剖面翼形翼形對風(fēng)力機(jī)葉片很重要，它直接影響風(fēng)輪的啟動與承受

43、風(fēng)能的效率。葉片 翼形根本上可分為平板型、風(fēng)帆型和扭曲型。低速風(fēng)力機(jī)往往采用翼形為平板型 或風(fēng)帆型，它的迎角在整個葉片上是一樣的，效率也不高，但結(jié)構(gòu)簡單，易于制 造，本錢低?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪葉片翼形根本上都用扭曲型，扭曲葉片雖然制造困難，但能提高風(fēng)能利用率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得最優(yōu)風(fēng)能功率。所謂扭曲葉片，就是沿葉片長度葉片翼型扭轉(zhuǎn)一定角度，使得葉片翼形各處的安裝角i 9不一致，角度由葉根至葉尖逐漸減少，使葉片各處都處在最優(yōu)迎角狀態(tài)，以獲得最 優(yōu)升力，從而提高葉片承受風(fēng)能的效率。一些微小風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有的是木制的， 不易扭曲也可以做成等安裝角葉片，只是效率低一些。在確定葉片剖面翼形的同時，必須注

44、意到翼形的升阻比。從理論上說，升阻比LD越大越好，但升阻比大到一定限度時風(fēng)輪葉片的效率并不一定高，可查閱圖表確定最優(yōu)升阻比。5.風(fēng)輪葉片具體尺寸確實定(1)葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同位置的尖速比X = 2冗Rn / 60v是葉尖尖端線速度與風(fēng)速的比。葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑處的尖速比i入可由下式得出：260nrv冗X = 2 260 60i i nr nRv v入冗冗入=irR入=(2-12)式中i入一葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑處的尖速比；i r 葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖的不同半徑，mo(2)葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑處的剖面翼形弦長 i L為了使設(shè)計的葉片在承受空氣動力能平均地分配到整個葉

45、片上， 葉片不僅需 要扭曲，還需要有不同地翼形弦長，以滿足葉片各處有一樣地升阻比， 以取得較 高地承受風(fēng)能效率。葉片翼形不同其所承受地風(fēng)能亦有差異，為了表示不同形狀 地葉片其承受風(fēng)能的特征引入葉片形狀參數(shù)，尖速比愈大，如此葉片面積應(yīng)愈小。葉片承受風(fēng)能的效率還與葉片翼形的相對迎風(fēng)角有關(guān)，即與迎角a有關(guān)，因相對迎風(fēng)角？ = a+ 8。為使葉片各處承受空氣動力一致，葉片各處的安裝角8就不同，亦即相對迎風(fēng)角？不同，這就是扭轉(zhuǎn)葉片。隨著尖速比 人的增大葉片的相對迎風(fēng)14 / 38word角愈小。以上討論了葉片翼形弦長與葉片形狀參數(shù)、尖速比與升阻比、升力等有關(guān)， 葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同半徑ir處的葉片弦

46、長(葉片翼形弦長)i L計算如下： i cLL rCC k二(m) (2-13)式中ir 葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖的不同位置的半徑，m,在設(shè)計中它是可以給定等值；c C -葉片形狀參數(shù)，可以根據(jù)對應(yīng)于ir的尖速比i人的值查得；lC -升力系數(shù)，根據(jù)選取的翼形查得；k 風(fēng)輪的葉片數(shù)。(3)葉片的實際安裝角i9根據(jù)不同的ir處所對應(yīng)的i入的值可查得對應(yīng)得相對迎風(fēng)角i? o但是這個得出的結(jié)果是在迎角為零的條件下繪制的，所以應(yīng)包括為校正而增加的迎角在。葉片ir處的葉片實際安裝角i0應(yīng)為相對迎風(fēng)角i?減去葉片的平均迎角m a o葉片的實際安裝角i0由下式給出0 i =? i - a m (2-14)式中i9

47、 葉片從轉(zhuǎn)動中心至葉尖不同位置的半徑i r所對應(yīng)的葉片實際安裝角，()； i ?-ir處所對應(yīng)的葉片相對迎風(fēng)角，()；m a 一葉片的平均迎角，()。(a)求葉片的平均迎角m a ,為0mL zCK Ra =a + + (2-15)式中0 a 升力系數(shù)為零時的葉片迎角()，通常為負(fù)值;zR 展弦比；L C 升力系數(shù)；LK 升力曲線平均斜率。(b)求升力曲線平均斜率L K ,為(max)(max) 0(0) LLLC CLKa a(2-16)式中 L(max) C 升力曲線最大值；L(0) C -零升力;L(max) a 升力曲線最大值L(max) C所對應(yīng)的最大迎角，()。風(fēng)輪葉片各參數(shù)確定之

48、后，葉片幾何形狀就可以確定，同時葉片實際安裝角也可以確定，葉片的實際工作位置就確定了。(C)定槳距葉片就是按計算所得到的實際葉片安裝角將葉片固定到輪轂上，不 能變動葉片安裝角。(d)變槳距葉片就是葉片用可轉(zhuǎn)動的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個葉片 可同步轉(zhuǎn)動以改變?nèi)~片的安裝角，也即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同風(fēng)速條件(額定風(fēng)速以上)風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到額定功率。變槳距葉片亦稱變槳距調(diào)速。(e)葉尖失速控制葉片就是葉片大局部固定，僅葉尖局部葉片可以轉(zhuǎn)動改變?nèi)~ 片安裝角的葉片。用葉尖失速控制的葉片來調(diào)速的稱作葉尖失速控制調(diào)速。2.3.4風(fēng)力機(jī)葉片受力分析葉片在轉(zhuǎn)動中也同樣受到空氣總動力F的作用，這個總動

49、力分解為葉片的升力Fl和對葉片的阻力Fd,如圖2-6(a)所示：葉片自身具有重量G與質(zhì)量G / g,在轉(zhuǎn) 動中產(chǎn)生離心力gF ,這些力對葉片、風(fēng)輪軸產(chǎn)生彎矩與拉力，從而使葉片和風(fēng) 輪軸受到彎曲應(yīng)力、拉應(yīng)力與二項應(yīng)力作用狀態(tài)23圖2-6葉片在轉(zhuǎn)動中的受力分析如果葉片安裝不對稱，重量相差較大，葉片質(zhì)心距轉(zhuǎn)動中心距離相差較大還 會使風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動中發(fā)生振動，使葉片與風(fēng)輪軸承當(dāng)振動引起的彎矩。在設(shè)計葉片 時，不僅要對葉片結(jié)構(gòu)尺寸、翼形、安裝角進(jìn)展計算確定，還要對上述葉片在轉(zhuǎn) 動中所受到的力與彎矩進(jìn)展分析、計算才能決定葉片縱梁、風(fēng)輪軸等的尺寸、材 料與工藝。葉片升力lF為1 2l 2l y F = p C

50、S v(2-17)(2)葉片阻力d F為1 2D 2d y F = P C S v (2-18)(3)葉片受離心力g F為2g=(2-19)式中G 葉片重量，N；一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s；r 葉片質(zhì)心至葉片轉(zhuǎn)動中心的距離，m； g 重力加速度;(4)重力G ,方向始終指向地球。(5)葉片受拉力為gP = F +G (2-20)(6)升力lF對葉片縱梁的彎矩l M (亦是升力對風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)矩)為1 2L 2 y M = P v f f dS dr (2-21)(7)阻力dF對葉片縱梁的彎矩d M為1 2d 2 y M = pv f f dS dr (2-22)(8)離心力對風(fēng)輪軸的彎矩gM。

51、只要葉片安裝得對稱且各葉片重量相等，各葉 片質(zhì)心到葉片轉(zhuǎn)動中心之距r相等如此風(fēng)輪軸受到離心力的彎矩為零。(9)重力對葉片縱梁的彎矩gM為cos g M = Gr B (N m或kN m) (2-23)(10)葉片重量G對風(fēng)輪軸的彎矩為M = kGa (N m或 kN m) (2-24)交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計25式中a 葉片質(zhì)心至風(fēng)輪軸軸承之水平距離，m;k 葉片數(shù)。(11)錐置葉片在轉(zhuǎn)動中所受到的離心力，分為上風(fēng)向錐置葉片與下風(fēng)向錐置葉 片兩種情況。(a)上風(fēng)向錐置葉片的離心力對葉片縱梁的彎矩。葉片上風(fēng)向錐置時，除上述 分析的離心力對葉片縱梁的力與彎矩外，尚有一個與風(fēng)向一樣

52、的離心力的分力構(gòu) 成對縱梁的彎矩，加大了葉片縱梁的彎矩。(b)下風(fēng)向錐置葉片在轉(zhuǎn)動中所受的離心力。葉片下風(fēng)向錐置時，葉片重量的離心力在水平方向的分力與風(fēng)向相反，從而減小了葉片縱梁所承受的彎矩。但是風(fēng)向錐置葉片會受到塔架下風(fēng)向紊流的作用，使經(jīng)過紊流區(qū)的葉片發(fā)生振動，過早地?fù)p壞葉片縱梁，設(shè)計時應(yīng)充分考慮，統(tǒng)籌兼顧。(12)風(fēng)輪葉片軸向推力計算的經(jīng)驗公式。在丹麥 (Gedser風(fēng)力機(jī)上測得的結(jié)果 明確，每平方米掃掠面上的葉片的軸向推力 p ,在一般風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)的情況下， 按如下經(jīng)驗公式給出p = V2 (2-25)式中p 每平方米掃掠面上葉面所受到的軸向推力，N/m2。風(fēng)輪掃掠面上葉片所受到的軸向推

53、力tF為0.4 2 tF = Sv(2-26)式中tF 風(fēng)輪掃掠面上葉片所受到的軸向推力，N或kN;S 葉片面積，m2 ;v 風(fēng)速，m/so風(fēng)輪靜止時迎風(fēng)狀態(tài)下所受到風(fēng)的軸向推力等于一樣風(fēng)速時風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下所受風(fēng)的軸向推力的40%。低速風(fēng)力機(jī)葉片多，軸向推力較大，合理設(shè)計塔架會降低制造本錢。葉片軸向推力經(jīng)驗公式推薦如下交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計26p = V2 (2-27)2t F = Sv (2-28)(13)葉片阻力與葉片阻力彎矩計算的經(jīng)驗公式。風(fēng)輪葉片在正常運轉(zhuǎn)時所受到的阻力可用下面的經(jīng)驗公式計算得出2d 1 F = K Sv (2-29)葉片運轉(zhuǎn)時所受到的阻力彎矩d

54、 2 dM = K rF (2-30)式中r 阻力作用小心至葉片轉(zhuǎn)動中心的距離，m；1K , 2K 計算系數(shù)；d M 一阻力對葉片縱梁的彎矩，N m或kN m；d F 阻力，N或kN。(14)葉片的俯仰彎矩葉片是承受風(fēng)能的部件，葉片縱梁承當(dāng)著葉片受力對葉片縱梁的彎矩和拉力，同時由于葉片縱梁不可能通過葉片翼型受力中心，所以葉片受力對葉片縱梁有個扭矩，亦稱葉片的俯仰力矩或彎矩。I 2II 2 cos cosM 2 i 2 iM = l p 9 f dF -l p 9 f dF (2-31)式中m M 葉片縱梁的俯仰彎矩，N m或kNm； p 風(fēng)的平均壓強(qiáng)，hPa；III 葉片縱梁中心至葉片前緣的弦

55、長，m;2l 葉片縱梁中心至葉片后緣的弦長， m；i 9葉片翼形安裝角，(0 ) 在變漿距調(diào)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，葉片轉(zhuǎn)動改變迎角滿足承受風(fēng)能的變化達(dá)到額 交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計27定輸入功率以使風(fēng)輪保持額定轉(zhuǎn)速，此時驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動使其變漿距的動力扭矩應(yīng)于葉片的俯仰力矩MM 。2.4 2MW 風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計實例根據(jù)介紹的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計計算的步驟29以與風(fēng)力機(jī)模型生成資料30,現(xiàn)在設(shè) 計額定功率2MW的風(fēng)力機(jī)扭轉(zhuǎn)葉片，選擇翼形為NACA-23012。設(shè)計流程見圖 2-7:圖2-7風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計流程1.根據(jù)設(shè)計要求計算出葉片各界面翼形的弦長與安裝角，計算步驟與結(jié)果 如下表2-1。表2-1 2MW風(fēng)力機(jī)葉片弦長與安裝角的計算Table2-1