摘要介绍近年来将有限元软件ＡＮＳＹＳ应用于风力机叶片设计和分析的发展概况．并详细阐述使用ＡＮＳＹＳ实现叶片从实体
建模、材料参数定义、网格划分到性能计算的设定方法．为更好的进行风力机叶片结构设计、强度分析奠定基础。
关键词
风力机叶片
ＡＮＳＹＳ软件分析
中图分类号：ＴＫ８３１．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—９０６４（２００９）０２－０１０２－０３
随着大型有限元通用程序的推广和普及以及计算机硬件技术的飞速发展，有些高校、企业和科研单位开始将有限元分析技术用于风力机叶片分析设计研究之中，但还不是很普及。ＡＮＳＹＳ软件是市场占有率最高的有限元软件之一。它是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件｛”。风力机在风能利用中占有最主要的地位．而叶片则是风力机中核心的部件。大型水平轴风力发电机组终年运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况非常复杂．主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。在风力发电机组的研究设计中，为了对其零部件进行强度分析、结构力学分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常运行。必须对风力机及其零部件进行静、动态分析。为风力机叶片结构改进和优化设计提供可靠的依据。
本文就近年来研究人员利用有限元法对叶片进行分析设计进行了总结，介绍了ＡＮＳＹＳ在叶片分析设计中的几种强大功能，应用这些功能可帮助研究人员进一步缩短研发时间，提高工作效率，降低研发成本。
ｌ叶片的实体建模
一般构造叶片实体模型的方法有２种：①在ＡＮＳＹＳ有限元程序中直接创建实体模型。可以采用自底向上自顶向下或者混合的建模方法；（函引入实体模型是将ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中Ｐｒｏ，Ｅ、ＵＧ等创建好的实体模型通过数据接口转换过滤器引入到有限元分析程序中去进行分析的一种方式。
由于风力机叶片外形和截面形状复杂，在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长．使得对叶片的实体建模存在较大的困
难。一般采用国际流行三维建模软件Ｐｒ０／Ｅ对叶片进行实体建模１２ｌ。所建立的叶片实体文件生成为ＩＣＥＳ格式，再由ＡＮＳＹＳ读取。以
图１用Ｐ删，Ｅ建立的叶片模型
ＮＡＣＡ６２３—６１５为例进
行建模及分析。
２叶片的静态分析
静态分析是计算在固定不变载荷作用下结构的响应。如位
移、应力。应变及反力等，校核结
图２导入到ＡＮＳＹＳ叶片模型
构的强度、刚度，确保结构既能安全、正常工作．又符合经济性
要求。静态分析的基本步骤是单元分析、网格划分、约束处理、方程求解和结果后处理。后两步是由计算机和软件共同完成，这里主要对前三步进行介绍。
２．１单元类型的选择
对于叶片这种用复合材料铺层结构的，根据材料的力学特性为正交各向异性还是各向同性．材料性能与纤维主轴取向、铺层数、铺层厚度等，所采用的单元类型和单元属性不尽
相同。
ＡＮＳＹＳ程序巾提供了一种特殊的单元一层单元，来模拟
复合材料．利用这些单元就ｎｒ以作任意的复合材料结构分析。用于建立复合材料模型的单元有ＳＨＥＬＬ９９、ＳＨＥＩ。１，９１、
ＳＨＥＬＬｌ８１、ＳＯＬＩＤ４６和ＳＯＬＩＤｌ９１
５种单元，单元类型和形状
的选择依赖于结构或总体求解域的几何特点和方程类型及求解所希望的精度等１３】。前３种是３Ｄ壳单元，后两种是３Ｄ实体单元。由于风力机叶片的结构是大宽厚比，所以适合于选择壳单元．其中ＳＨＥＬＬ９９和ＳＨＥＩ。Ｉ．９ｌ都廿『用于风力机叶片。这两种单元都为８节点３Ｄ单元，ＳＨＥＬＬ９９允许有多达２５０层的等厚材料。用户町通过输入自定义的材料矩阵来建立模型。该单元可进行失效分析。它还有一项町以将单元节点偏置到结构的表层或底层。而ＳＨＥＩ．Ｌ９１单元允许的复合材料最多有１００层，而且用户不能输入自定义的材料性能矩阵。但该单元支持塑性、大应变行为以及具有一个特殊的”ｉ明治”选项，所以ＳＨＥＬＬ９ｌ单元更适合大变形的情况１４１。
ＳＯＬＩＤ４６单元是８节点３Ｄ实体单元ＳＯＬＩＤ４５的一种叠层形式，它的每个节点有３个自由度，每个单元允许２５８层的
作者简介：韦丽珍（１９７７－）。女。硕士研究生，研究方向：基于ＡＮＳＹＳ兆瓦级风力发电机叶片的戢荷研究。
等厚度材料层，同样允许１２５层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。该单元的另一个优点是可以用几个单元叠加的方式来对多于２５０层的复合材料建模，并允许厚度方向的变形斜率可以不连续，而且用户也町以输入自定义的本构矩阵。ＳＯＬＩＤ４６单元有一个等效的横向刚度，允许在横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则，在使用中可根据实际需要选择适合的单元。
２．２坐标系设置
ＡＮＳＹＳ中有总体坐标系、局部坐标系、单元坐标系、节点坐标系、结果坐标系。坐标系可定义空间几何结构的位置，规定节点自由度，定义材料线性方向．以及改变图形显示和列表。不同的坐标系通常可以用于定义不同的模型和边界条件，选择适当的坐标系不仅能够快速方便建立有限元模型．而且便于边界条件限制和载荷的施加。因此在叶片建模和分析中应注意坐标系的选取。
２．３实常数设置
实常数是用于描述某一种类型单元的几何特性．如壳单元的厚度，梁的横截面积等。实常数根据单元类型的不同而不同。但是它不依附于单元，即一种类型的单元可以有多种不同的实常数，一种实常数可以对应几种单元，在叶片设定中，我们可以从实常数定义材料号（ＭＡＴ）、铺层方向（ＴＨＥＴＡ）和厚度（ＴＫ）等。
２．４材料属性设置
一般的有限元分析都需要输入材料的属性．对于叶片中正交各向异性材料一般有９种基本材料参数（弹性模量Ｅ）（，ＥＹ／ＥＺ、泊松比ＰＲＸＹ／ＰＲＹＺ，ＰＹＲＸＺ或者ＮＵＸＹ／ＮＵＹＺ厂ＮＵｘｚ、剪切模量ＧＸＹ／ＧＹＺ／ＧＸＺ），它们的输入数值总是相对于单元坐标系的ＸＹＺ方向或某个坐标平面内１５＂１。正交各向同性材料，只需输入Ｘ方向上的弹性模量ＥＸ与泊松比ＰＲＸＹ或者ＮＵＸＹ。其他方向自动与这蝗参数一致。
一般情况下。有限元程序没有单位．只有在给定材料参数时。其数值本身含有某特定单位。因此在输入材料属性时，一定要注意单位的统一性。
２．５网格划分
划分网格是建立有限元模型的一个重要环节．所划分的网格形式和大小直接影响着计算精度和计算规模。但过密的网格不仅导致网格划分和计算过程占用大量ＣＰＵ、计算时间很长、求解不易收敛．而且过密的网格计算精度反而下降。为了建立正确、合理的有限元模型，必须考虑网格数量、网格、密度、单元属性、网格质量、网格的分界面分界点以及网格布局等众多因索。
网格可分为自由网格和映射网格，自由网格对实体模型无特殊要求，对任何几何模型（规则的或不规则的），都可以进行网格化分。没有特定的规则，可以由四边形单元组成也可以只由三角形单元组成，或由２者混合组成．或者是四面体单元。映射网格化分要求面或体是有规则的形状。而且必须遵循一定的准则，只包含四边形、三角形或六面体单元。叶片作为
一个不规则的体．故选择自由网格划分。
如图３。单元采用ＡＮＳＹＳｌ０．０单元库中的ｉ维ＳＯＬＩＤ４５，运
用ＡＮＳＹＳ的ＭＥＳＨＩＮＧ功能．
采用自由网格划分叶片有限元
网格，共划分了３３５３３个单元．
８７６８个节点。
２．６约束条件
网格划分完成后。须选择约
束条件。叶片根部通常是对根部围３用自由网格四面体划分的截面通过表面到达支撑部分的网格叶片不完全约束．一般来说，在单叶片计算中简化为对于整个根部截面的完全约束。对于二叶片以上的风轮。此时由于轮毅材料并非完全刚性，叶片之间振动会相互耦合影响。所以对二叶片以上的风轮的振动模态分析，应针对整个风轮结构进行，此时应对转轴的端部施加约束。２．７施加载荷和求解
风力机叶片静力分析主要是计算静态载荷作用下的变形和应力。静态载荷基本上不考虑运行状态的不断改变，只考虑环境条件的变化和惯性载荷１６１，所以分析风力机叶片时，所施加的载荷包括重力和空气总动力。
值得注意的是在结构分析叶片中，对于由壳单元平面单元或者三维实体单元等组成的连续性集中载荷意味着存在应力奇异点．但是在静力分析中如果不关心集中载荷作用点处的应力。根据圣维南原理．可以用等效集中载荷代替静力分布载荷添加在模型，虽然这样对载荷附近的局部特性有影响，但对整个结构的性能影响并不大。
２．８通用后处理
求解结束以后，就可以根据需要使用ＰＯＳＴｌ普通后处理器或ＰＯＳＴ２６时间历程后处理器对结果进行查看了。ＰＯＳＴｌ普通后处理器用于显示在指定时间点上选定模型的计算结果，ＰＯＳＴ２６时间历程后处理器用于显示模型上指定点在整个时间历程上的结果。后处理都是用于分析结果文件中的结果数据的。对于不同的分析类型有不同的单元解，对于结构求解有应力和应变等。
３动力学分析
动力学分析包括模态分析，谐响应分析，瞬态动力学分析及谱分析。由于叶片一般为弹性结构，作用在上面的载荷有交变性和随机性．振动是不可避免的，因而对于叶片的结构动力研究多数应用的是模态分析，模态分析就是对叶片的固有频率和振型进行分析，继而可求解叶片的固有动力特性，对于其稳定性及其动态响应研究有很重要的意义。
４结束语
（１）建立正确的模型是做后续分析的基础，也是实物与理论沟通的桥梁，务必建立正确、合理的模型。
（２）根据实际情况选择最为合适的单元类型，对网格的划分与分析结果的合理性至关重要。
（３）划分网格形式和大小直接影响到计算精度和计算规
（下转Ｐ１１２）
相同的两个漏斗内，同一时间开始漏放，水与泥浆流出的时间差就是泥浆的粘度。泥浆的流速越慢粘度越高。一般标准为５００ｍＬ／２０ｓ。在相对稳定的地层中钻进时．用粘度１７—２０ｓ的泥浆均可以。主要应根据具体地层综合确定。
泥浆巾的含砂量越少越好，不宜超过４％。含砂最测定方法：取４５０ｍＬ的清水．５０ｍＬ泥浆同装入５００ｍＬ的测鞋杯中摇均，然后静止ｌｍｉｎ，读出砂粒在量杯中沉淀占用的刻度数，再乘以２即为泥浆含砂量的百分数。在钻孔泥浆循环流道中间设置数个沉淀坑槽，坑槽内的渣土应及时清理．以降低泥浆池的含砂率，来保持泥浆的质量。
１．５工艺流程及技术要求
冲钻孑Ｌ桩施Ｔ保持孔壁稳定是其关键技术之一．施工过程中要让孑Ｌ内充满触变泥浆，且泥浆液面应始终保持在高出地下水位１．０ｍ以上。因为泥浆液柱压力作用在孔壁上．除平衡岩土层压力和水压力外，还由于泥浆在壁内的压差作用。部分水能渗入土层，从而在孔壁表面形成一层固体颗粒状的的胶结物（泥皮）。
对泥浆护壁成孔Ｔ艺建议要求采用孔口护筒，护筒下到位后在护筒中加入黄土、先捣成黄土泥浆后再加入适量泥浆复合剂，使泥浆性能达到（泥浆控制指标：密度１．２０～１．３０、漏斗粘度１７～２０ｓ、ＰＨ值８—９．５、含砂量小于４％）后方可继续成孑Ｌ施工。冲孑Ｌ过程中每进尺２ｍ要求测定一次泥浆性能参数．并记录在案。冲孑Ｌ过程中发生泥浆漏失时。应立即提出钻头进快往孔内填入黄土后再下钻头，并及时将孔内泥浆液面标高补充到位。
泥浆质量的控制要始终贯穿于施工全过程，无论是原浆制备、成孑Ｌ过程的动态循环．还是旧泥浆回收到总储备池的不同时期，均应对泥浆质量状况进行控制检测，一旦发现性能参数偏离要求．必须马上进行改良调配。
１．６施工方案措施
（１）做好施工准备工作。正常施Ｔ时，场地内备足黄土、水泥、编织袋等应急堵漏材料．配备铲车机械组织好应急人员。
（２）科学制定施工路线图。施工前，把每台桩机的施工路线确定下来。保证泥浆池位置的相对固定，有利于相邻桩位施工时的泥浆共用，一旦出现漏浆情况。可以快速补充借用泥浆。
（３）合理配备泥浆池。施工场地内可在无桩位地段设置泥浆储备大池一个，容积≥５０ｍ３。每个桩位施ｑ－０寸原则上必须设置两个小泥浆池．一个是沉淀池．另一个是循环供浆池。储备大池与循环泥浆池的联通是通过大功率砂浆泵和高压浆管来实现的。沉淀池必须起到有效沉淀的作用，保证循环供浆池内的泥浆含砂率低于５％。
２结论
我们相信，随着泥浆护壁工艺及技术的不断发展，将进一步提升复杂地质条件下的冲钻孔桩基工程技术水平，降低混凝土灌注充盈系数，提高工程质量．节约成本，增强市场竞争力。
参考文献
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２建筑地基基础设计规范（Ｇ８５０００７－２００２）
ｏｊ！ｊ！！！一ｊ＝！！ｊ！ｊｊ：：ｊ：ｊｊｊｊｊ＂－Ｌｉｊ：：：：：：；：ｊｊ：：：：一一ｊｊ！ｊｊ！ｊ二ｉ一：！：ｊｊ：：ｊ，ｊｊｉ二：二二＝，ｔｉ！！ｉｉ；！！！！ｊｊ：ｊ：！！ｊｊｊ：：：：：ｊ：ｊｊｊ…ｊｊｊ！！！＝：‘ｊｊ！－ｒ．ｊ！：ｊｊｊｊ：！：：：．．ｊ：！ｊ＇（上接Ｐ１０３）
模，过密过疏均不适宜。
（４）对载荷的处理一定要确定好载荷的形式，尽量真实反应实际叶片的受力情况。
（５）根据不同的需求情况选择不同的结构分析类型。
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家庭风力发电机有发展前景
中山市一家民营企业自主研发的磁悬浮垂直轴风力发电机组，由于功率小，重量轻，被称作”家庭风力发电机”。２００９年．加拿大一家公司与该企业签下４００台的包销合同，价值近５００万美元。
我国调高大排量汽车消费税推动节能减排
我国开始实施调整汽车消费税政策。由财政部、国家税务总局发出的汽车消费税政策的主要内容是：排气量在４Ｌ以上的乘用车，税率由２０％．－Ｌ至４０％，而１．０Ｌ小排量乘用车税率则下调２个百分点。此次调整将对大排量车消费带来冲击，对小排量车将产生一定的扶持作用。
基于ANSYS风力机叶片的设定方法
作者：韦丽珍， 赵丹平， 王清华， 载同， 杨丽娟， 刘玲
作者单位：内蒙古工业大学,内蒙古呼和浩特,010051
刊名：
能源与环境
英文刊名：ENERGY AND ENVIRONMENT
年，卷(期)：2009，""(2)
被引用次数：0次
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基于ANSYS软件,对某款1 500 kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析.该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性.另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228 MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211 MPa,平均应力为180 MPa左右.此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤,环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率.
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基于ANSYS软件,对某款应用于GL3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析.分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0.86Hz和1.59Hz;在极限挥舞载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为8.445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载荷作用下的叶尖挠度为8.12m,计算值与试验值的误差只有3.8%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤/环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的31.7%和52.9%.
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4.学位论文陈荣盛风力机结构动力学特性研究2009
风力机运行于自然环境中，其风轮叶片所受载荷情况比较复杂，因此载荷计算和强度分析对于风力机的设计来说是非常重要的。风力机风轮叶片是风力机的核心部件，因此了解其动力学特性对风力机叶片设计以及风机运行控制有着重要的意义。
本文主要是对风力机叶片载荷及其动力学特性研究。通过分析计算得到作用与风力机叶片的载荷；建立风力机叶片三维模型，通过ANSYS软件对叶片进行有限元模态分析。根据——20千瓦风力机结构参数，进行风力机风轮叶片振动特性和瞬态动力特性计算。采用模态分析法，利用UG进行叶片三维建模，结合ANSYS有限元软件分析计算，得到以下结果：
1）风力机叶片——阶频率与其固有频率相近：
2）在各个不同阶次的振动频率计算中，不同阶次的振动表现出的振动形式有所不同。叶片低阶次振动均以挥舞及摆振及其相互耦合振动为主，即挥舞和摆振振动。进一步为挥舞加扭振，直到高阶次振动，才能发生扭转振动；
3）风力机风轮叶片上的应力分布不均匀，在改变部件结构参数时，会引起叶片上应力分布的较大变化；
4）采用密度小、强度大的材料来制造叶片，可以减小风力机在工作过程中叶片的变形；
研究结果对风力机运行的改善提供了有益的参考，同时也进一步探讨了风力机动力学分析方法。
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针对大型风力机叶片的典型材料中可能存在的典型缺陷,以脉冲红外热成像法检测风力机叶片的内部气孔为例,建立了轴对称非稳态导热模型,应用ANSYS软件,进行计算机模拟计算,得到模型在脉冲加热-冷却阶段任一时刻的温度场和热流场以及有缺陷区及无缺陷区对应表面温度及温差的变化趋势,从理论计算的角度揭示了红外热成像检测材料内部缺陷的机理,同时验证了应用红外热成像技术无损检测材料内部缺陷的可能性.
7.学位论文赵丹平风力发电机组叶片模型气动载荷研究2009
以国家自然科学基金资助项目《风力发电机风轮系列化的实验与研究》[批准号：59776033]为资助，针对我国兆瓦级风力发电机组风轮叶片存在问题，进行了兆瓦级风力发电机组风轮叶片基础实验研究。研究是采用车载法对1MW、1.5MW、2MW风力发电机组叶片模型的气动载荷特性、发电机及发电机组功率输出特性进行实验研究，并将1.5MW实验结果与ANSYS程序的风力机叶片气动载荷分析结果进行对比分析，分析研究叶片气动载荷对叶片设计的影响，初步建立兆瓦级风力发电机系列化机组的关键参数的理论设计。
课题组前期对风力发电机组进行大量基础工作，设计制造了200kW的大型风力发电机组叶片，并在沈阳试运行，效果良好。在此研究基础上，设计了1MW、1.5MW、2MW风力发电机组新型专用叶片，并制造加工1MW、1.5MW、2MW实验叶片模型。采用车载法和应变片测试技术，根据国标GB/T
10760.2—89规定，3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s、15m/s、17m/s、19m/s九种风速对装有叶片模型的风力机功率输出特性、风力机叶片模型的气动载荷特性参数进行了测试，对实验结果进行了理论分析研究。三种叶片模型均采用100W的风力发电系统，测试截面选择6个截面。以1.5MW叶片模型截面位置布置尺寸为准，1MW、2MW叶片模型截面位置尺寸按照相似比例确定。实验研究结果表明：
在风力机设计中，桨距角是一个重要参数，其对风力机气动特性有较大影响。在1.5MW叶片模型的实验中，设计风速12m/s和桨距角为30°时，风力机输出功率78.6W。对1Mw、2MW叶片模型风力机的起动性能试验发现，起动风速分别为5.4m/s、3.5 m/s。显然，2MW叶片模型风力机起动性能较好。
对于静载试验，在使用载荷时，1.5MW叶片模型各截面变形位移较小，叶片刚度较大：在设计载荷时，叶片截面位移仍随着风轮半径增大呈线性增加趋势，但截面位移增长速度较快，表明叶片刚度下降显著。
对1MW、1.5MW、2MW叶片模型有相同载荷特性，各截面处的拉应力、剪应力、扭矩随风速增大而增大，呈线性增加规律；在相同风速下，叶片各测试截面的拉应力值变化较大，而剪应力值基本相同，但对1.5MW叶片模型，在距风轮回转中心388mm处与其它截面处的剪应力、拉应力比较明显增大，有应力集中现象。
在风速为14.6m/s时，1.5MW叶片模型风力机风轮转速达到400 rpm，但风轮风能利用系数为0.062，表明兆瓦级叶片模型与100W风力发电机不匹配。 根据新型专用1.5MW叶片模型实际结构，创新性运用层单元SHELL91和实体单元SOLID45相结合的方法进行模拟，采用自由度耦合将节点进行刚性连接，用两种
不同类型单元节点的耦合的关键是选用合适的网格划分和重合容差值等。否则，用ANSYS软件进行载荷计算时出现错误，该方法是一种新的尝试。 用ANSYS有限元仿真技术对新型专用1.5MW叶片模型受剪应力情况进行分析研究，其仿真数据结果与车载试验数据结果符合性较好，叶片各截面的应力变化趋势基本吻合；各截面位移量仿真结果与试验结果基本吻合，在额定风速为12m/s时，在各加载截面，仿真与试验结果最大相对误差为9.55%，最小相对误差为2.38%，而且靠近叶片根部误差大，靠近叶尖误差较小：证明用此方法对运动叶片的受力分析基本是合理的、可靠的、可信的，这对兆瓦级风力机的载荷分析及优化设计具有重要的指导意义。
采用车载法和应变片测试技术，对1MW、1.5MW、2MW叶片模型进行实验研究。用ANSYS有限元仿真计算验证了实验结果的正确性，验证了该研究方法可行性和可靠性。解决了兆瓦级叶片气动载荷研究的难题，开拓了兆瓦级风力机气动载荷研究的新途径。
关键词：风力发电机组；叶片模型；气动载荷；兆瓦级
本文链接：https://www.doczj.com/doc/6d15395131.html,/Periodical_nyyhj200902045.aspx
授权使用：西安交通大学(wfxajd)，授权号：5c9b7e03-bb4a-49a1-ab54-9dd901245a2c
下载时间：2010年8月21日
甘肃机电职业技术学院 现代装备制造工程系毕业论文 翼型风力机叶片的设计与三维建模 姓名：王成寿 学号： 142000848 班级：G142701 年级：2014级 指导老师：杨欣
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 其蕴量巨大，全球的风能约为 2.74×10^9M W，其中可利用的风能为2×10^7M W，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。 把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就 是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 本课题研究水平轴风力发电机的叶片设计、实体建模。主要任务 如下：1.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；2.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；3.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；4.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。 关键词：风力发电，风力机叶片，三维建模
摘要 (1) 1、综述 (1) 1.1、风力机简介 (1) 1.2、风力机简史 (1) 1.3、风力机的特点 (2) 1.4、风力机的基本原理 (2) 1.5、风力机的构成和分类 (3) 1.6、风力机存在的问题 (3) 1.7、本课题的背景目的及主要工作 (4) 2、风力机设计理论 (6) 2.1、翼型基本知识 (6) 2.2、叶片设计的空气动力学理论 (7) 2.2.1、贝茨理论 (7) 2.1.2、叶素理论 (8) 2.1.3、动量理论 (9) 2.3、风力机的特性系数 (10) 2.3.1、风能利用系数C p (10) 2.3.2、叶尖速比λ (10) 2.4、翼型介绍 (11) 2.4.1、翼型的发展概述 (11) 2.4.2、N A C A翼型简介 (11) 3、风力机叶片的设计 (13) 3.1、风力机叶片的外形设计 (13) 3.1.1、叶片设计的总体参数 (13) 3.1.2、确定风轮直径D (13) 3.1.3、翼型弦长计算 (14) 3.1.4、叶片重要参数的选取 (14) 3.2、叶片优化设计的计算程序编制 (16)
风机叶片材料、设计与工艺简介 核心提示：复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。因此，叶片的材料、设计和制造质量水平十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。 复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。因此，叶片的材料、设计和制造质量水平十分重要，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。影响风机叶片相关性能的因素主要有原材料、风机叶片设计及叶片的制造工艺三种。 一风机叶片的原料 目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E－玻璃纤维、S－玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成。 对于同一种基体树脂来讲，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是，碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。由于价格的因素，目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。 风电机组在工作过程中，风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能，必须对树脂基体系统进行精心设计和改进，采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高叶片的承载能力，扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。同时，为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能，可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。 二风机叶片的设技 以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料/工艺有效结合的软件支撑。另外，计算机
\ 《风力发电机组设计与制造》 课程设计报告 ： 院系：可再生能源学院 班级：风能0902班 % 姓名：陈建宏 学号：04 指导老师：田德、王永
提交日期： 一、设计任务书 1、设计内容 风电机组总体技术设计 ； 2、目的与任务 主要目的： 1)以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法； 2)熟悉相关的工程设计软件； 3)掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括： 1)确定风电机组的总体技术参数； 2)、 3)关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数； 4)计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数； 5)完成叶片设计任务； 6)确定塔架的设计方案。 每人撰写一份课程设计报告。 3、主要内容 每人选择功率范围在至6MW之间的风电机组进行设计。 1）原始参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为48m/s，用户希望安装 MW 至6MW之间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设定为1.225kg/m3。 . 2）设计内容 （1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的C p曲线和C t曲线，风力机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级； （2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C p曲线和C t曲线，计算几种关键零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。（3）塔架根部截面应力计算。计算暴风工况下风轮的气动推力，参考风电机组的整体设计参数，计算塔架根部截面的应力。最后提交有关的分析计算报告。
1,风力发电机按叶片分类。 按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 （1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。 （2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。 凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。所以绝大多数风扇都是三片叶的。三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。降低维修成本。 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 2,按照风力发电机的输出容量可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级系列。 （1）小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。 （2）中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。 （3）大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。 （4）兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。 3,按功率调节方式分类。可分为定桨距时速调节型，变桨距型，主动失速型和 独立变桨型风力发电机。 （1）定桨距失速型风机；桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
西南交通大学钢桥课程设计 单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥 课程设计 姓名： 学号： 班级： 电话： 电子邮件： 指导老师： 设计时间：2016.4.15——2016.6.5
目录 第一章设计资料 (1) 第一节基本资料 (1) 第二节设计内容 (2) 第三节设计要求 (2) 第二章主桁杆件内力计算 (3) 第一节主力作用下主桁杆件内力计算 (3) 第二节横向风力作用下的主桁杆件附加力计算 (7) 第三节制动力作用下的主桁杆件附加力计算 (8) 第四节疲劳内力计算 (10) 第五节主桁杆件内力组合 (11) 第三章主桁杆件截面设计 (14) 第一节下弦杆截面设计 (14) 第二节上弦杆截面设计 (16) 第三节端斜杆截面设计 (17) 第四节中间斜杆截面设计 (19) 第五节吊杆截面设计 (20) 第六节腹杆高强度螺栓计算 (22) 第四章弦杆拼接计算和下弦端节点设计 (23) 第一节 E2节点弦杆拼接计算 (23) 第二节 E0节点弦杆拼接计算 (24) 第三节下弦端节点设计 (25) 第五章挠度计算和预拱度设计 (27) 第一节挠度计算 (27) 第二节预拱度设计 (28) 第六章桁架桥梁空间模型计算 (29) 第一节建立空间详细模型 (29) 第二节恒载竖向变形计算 (30) 第三节活载内力和应力计算 (30) 第四节自振特性计算 (32) 第七章设计总结 (32)
第一章设计资料 第一节基本资料 1设计规范：铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005），铁路桥梁钢结构设计规范（TB10002.2-2005）。 2结构轮廓尺寸：计算跨度L=70+0.2×27=75.4m，钢梁分10个节间，节间长度d=L/10=7.54m，主桁高度H=11d/8=11×7.46/8=10.3675m，主桁中心距B=5.75m，纵梁中心距b=2.0m，纵梁计算宽度B0=5.30m，采用明桥面、双侧人行道。 3材料：主桁杆件材料Q345q，板厚 40mm，高强度螺栓采用40B，精制螺栓采用BL3，支座铸件采用ZG35II、辊轴采用35号锻钢。 4 活载等级：中—活载。 5恒载 （1）主桁计算 桥面p1=10kN/m，桥面系p2=6.29kN/m，主桁架p3=14.51kN/m， 联结系p4=2.74kN/m，检查设备p5=1.02kN/m， 螺栓、螺母和垫圈p6=0.02（p2+ p3+ p4），焊缝p7=0.015（p2+ p3+ p4）; （2）纵梁、横梁计算 纵梁（每线）p8=4.73kN/m（未包括桥面），横梁（每片）p9=2.10kN/m。 6风力强度W0=1.25kPa，K1K2K3=1.0。 7工厂采用焊接，工地采用高强度螺栓连接，人行道托架采用精制螺栓，栓径均为22mm、孔径均为23mm。高强度螺栓设计预拉力P=200kN，抗滑移系数μ0=0.45。
风机叶片的原理、结构和运行维护 潘东浩 第一章风机叶片报涉及的原理 第一节风力机获得的能量 一.气流的动能 1 2 i 3 E= 2 mv =2 p Sv 式中m——气体的质量 S——风轮的扫风面积，单位为m2 v 气体的速度，单位是m/s p ------空气密度，单位是kg/m3 E 气体的动能，单位是W 风力机实际获得的轴功率 P=2 p sJc p 式中P----- 风力机实际获得的轴功率，单位为W； p ------空气密度，单位为kg/m3; S ----- 风轮的扫风面积，单位为m2; v ----- 上游风速，单位为m/s. C p ---------- 风能利用系数 三.风机从风能中获得的能量是有限的，风机的理论最大效率
n Q 0.593 即为贝兹（Betz）理论的极限值。 第二节叶片的受力分析 一.作用在桨叶上的气动力 上图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速
度情况下的受力分析。在叶片局部剖面上，W是来流速度V和局部线速度U的矢量和。速度W在叶片局部剖面上产生升力dL和阻力dD，通过把dL和dD分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn和旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。 上图中的几何关系式如下： W =V U ①=0 + a dFn=dDs in ① +dLcos ① dFt=dLs in ①-dDcos ① dM=rdFt=r（dLsin ①-dDcos①） 其中，①为相对速度W与局部线速度U （旋转平面）的夹角，称为倾斜角；0为弦线和局部 线速度U （旋转平面）的夹角，称为安装角或节距角; a为弦线和相对速度W的夹 角，称为攻角。 ?桨叶角度的调整（安装角）对功率的影响。（定桨距） 改变桨叶节距角的设定会影响额定功率的输出，根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低 风速时的功率系数和考虑高风速时的失速性能。定桨距风力发电机组 在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的。但在 高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率（额定功率点）的影响是十分明显的。事实 上，调整桨叶的节距角，只是改变了桨叶对气流的失速点。根据实验结果，节距角越小，气 流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力机可以在不同的空气密 度下调整桨叶安装角的根据。 不同安装角的功率曲线如下图所示： 750KW国产桨叶各安装角实际功率Illi线对比图 ! --------- ——B ----------------! *pitchy—00 P itch=-3. 00 pitcta-L T5 pi 75 ―*—pitch=-Q. 00 * 1 -------- piteh=l.00——= ---------------- i
初中物理大题集练——能源与可持续发展 1、我市地处沿海，风力资源极为丰富，随着各项大型风力发电项目的建设，我市将成为广东省知名风力发电基地。如图甲是某地风力发电的外景。风力发电机组主要由风机叶片和发电机组成。请回答下列问题： （1）风力发电利用的是风能，风能是清洁的（选填“可再生”或“不可再生”）能源； （2）风机叶片具有质量轻、强度高、耐磨损等性能，通常用密度（选填“大”或“小”）、硬度大的复合材料制成；叶片形状像飞机的机翼，若叶片位置和风向如图乙所示，由于叶片两面空气流速不同而产差，使风叶旋转； （3）风叶产生的动力通过传动系统传递给发电机，发电机是利用原理，把机械能转化为电能； （4）某风力发电机的输出功率与风速的关系如图丙所示，由图像可以知道，当风速在v1到v2之间时，风速越大，发电机组的电功率； （5）请你根据图像判断，台风来临时，能否给风力发电带来最大的经济效益？（选填“能”或“不能”）。 2、如下图甲是我国某公路两旁风光互补路灯系统的外景，其中的风力发电机组主要由风机叶片和发动机组成；该风力发电机的输出功率与风速的关系图像如图乙所示。请回答： （1）风力发电利用的是风能，风能是清洁的、_____（填“可再生”或“不可再
生”）能源； （2）风力发电机利用_________原理把_________转化为电能； （3）由图乙图像可知，能使该风力发电机组产生电能的风速范围是_________（用图像中的字母表示）； （4）下表给出的是在不同风速下该风力发电机的输出功率。请根据表中信息回答： ①当风速为8 m／s时，该风力发电机的输出功率为_________W； ②当风速为16 m／s时，这台风力发电机工作1 s所产生的电能可供1只“12 V 60W”电灯正常工作2 s，那么风力发电机发电的效率为_________。 3、2015年3月，全球最大的太阳能飞机“阳光动力2号”（如图所示）开始首次环球飞行，途径我国重庆和南京两个城市，此行的重要目的是传播新能源概念。 （1）该飞机白天飞行时，利用高效太阳能电池版将电磁能（太阳能）转化为____________能；夜间飞行时，利用其超轻薄离子电池储备的____________能转化为电能，首次实现昼夜飞行而不耗费一滴燃油。 （2）该机从重庆飞往南京的航程约为1260千米，用时17.5小时。则它的飞行速度为多少千米/小时？ （3）为降低飞行时的能量消耗，该机选用新型轻质材料，取面积为1平方米，厚度为1毫米的新型材料，测得其质量为250克，则该材料的密度为多少？（4）该机计划从南京起飞后直飞美国夏威夷，是此次环球航行中最具挑战性的一段航程，飞行时间长达120小时，飞行过程中依靠平均功率为10千瓦的电动机提供动力，其消耗的能源全部由电池板吸收的太阳能提供，则此段航行中至少需要吸收多少太阳能？（太阳能电池板的转化功率约为30%） 4、如图所示，2015年3月31日，无需一滴燃料的世界最大太阳能飞机“阳光动力”2号降落在重庆江北国际机场，并于当天在重庆巴蜀中学开启中国首个
风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 （1）风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。 1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而
不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。 目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂
叶片设计流程 一．空气动力设计 1．确定风轮的几何和空气动力设计参数 2．选择翼型 3．确定叶片的最佳形状 4．计算风轮叶片的功率特性 5．如果需要可以对设计进行修改并重复步骤4，以找到制造 工艺约束下的最佳风轮设计。 6．计算在所有可遇尖速比下的风轮特性 对于每个尖速比可采用上面步骤4所述的方法，确定每个叶素的空气动力状态，由此确定整个风轮的性能。 7．风力机叶片三维效应分析 8．非定常空气动力现象 9．风力机叶片的动态失速 10．叶片动态入流 二．风机载荷计算 作为风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。国际电工协会制定的IEC61400-1标准、德国船级社制定的GL 规范和丹麦制定的DS 472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。
2.1IEC61400-1 标准规定的载荷情况 2.2风机载荷计算 1计算模型 1）风模型 （1）正常风模型 （2）极端风模型 （3）三维湍流模型 2）风机模型 风机模型包括几何模型、空气动力学模型、传动系统动力学模型、控制系统闭环模型和运行状态监控模型等。 2风力机载荷特性 1）叶片上的载荷 （1）空气动力载荷 包括摆振方向的剪力Q yb和弯矩M xb、挥舞方向的剪力Q xb和弯矩M yb以及与变浆距力矩平衡的叶片俯仰力矩M zb。可根据叶片空气动力设计步骤4中求得的叶素上法向力系数Cn和切向力系数Ct, 通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷。 （2）重力载荷 作用在叶片上的重力载荷对叶片产生的摆振方向弯矩，随叶片方位角的变化呈周期变化，是叶片的主要疲劳载荷。 （3）惯性载荷
（4）操纵载荷 2）轮毂上的载荷 3）主轴上的载荷 4）机舱上的载荷 5）偏航系统上的载荷 6）塔架上的载荷 三．风力机气动弹性 当风力机在自然风条件下运行时，作用在风力机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使结构产生变形和振动，影响风力机的正常运行甚至导致风力机损坏。因此，在风力机的设计中必须考虑系统的稳定性和在外载作用下的动力响应，主要有①风力机气动弹性稳定性和动力响应②风力机机械传动系统的振动③风力机控制系统（包括偏航系统和变浆距系统等）的稳定性和动力响应④风力机系统的振动。 3.1风力机气动弹性现象 1．风力机叶片气动弹性稳定性问题 2．风力机系统振动和稳定性问题 3.2风力机气动弹性分析 目的是保证风力机在运行过程中不出现气动弹性不稳定。主要的方法是特征值法和能量法。特征值法是在求解弹性力学的基本方 程中，考虑作用在风力机叶片上的非定常空气动力，建立离散的描述风力机叶片气动弹性运动的微分方程。采用Floquet理论求解，最后 稳定性判别归结为状态转移矩阵的特征值计算。
风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价风力机叶片设计、制造的趋势和评价美国Sandia 国家试验室 Paul S.Veers,Thomas D.Ashwill,,Herbert J. Sutherland,https://www.doczj.com/doc/6d15395131.html,ird and Donald.W Lobitz 等著前言风力机叶片的尺寸和产量都巳稳定增大，现在主流产品功率为 1MW 至 3MW。80 米直径的转子巳在生产，90 米至 120 米直径的转子已有样机。2001 年生产风力机叶片共用了5 万吨成品玻璃纤维层合板，今后几年还会增加。叶片变长叶轮变大，都会增加叶片在整机成本中的比重。因为叶片是整台风机的关键部件之一,改进叶片的设计、制造及性能，一直是研究开发的主要目标。叶片设计和制造的改进基于多年的生产经验和工业研发。有的研发是欧美政府资助的项目。研究的重点是,多种叶片设计和材料技术。技术挑战包括:尺寸加大但抑制重量增加、改进功率性能和减轻载荷、方便运输、使疲劳循环达 1 亿至 10 亿次、和降低设计裕度。叶片只占风机成本的 10% ~ 15%，所以靠叶片来降低能源价格(COE)，其作用是有限度的。如果创新的叶片设计,能降低 10% ~ 20%载荷，则能从几个主要部件(如塔、传动轴系、叶片本身)都得到好处。适当的叶片成本降低，和带来的其它系统造价降低，可降低能源价格。设计和制造历史上的叶片结构和制造方法图1 是切面图，表示风机叶片的典型结构。翼缘(大梁盖)为较厚的主要是单向纤维铺层组成，以承担拍打方向的弯矩。叶片蒙皮是典型的双轴向的(double-bias)或三轴向的(triaxial)玻璃纤维;轻木或泡沫塑料芯是抗屈曲用的。过去，叶片用全玻璃纤维铺层或个别情况用碳纤维局部加强制造。当叶片长度到 30 米时，最普通的制造方法是湿法手工铺放敞模成型。值得注意的例外是 Vestas,她造叶片一直用预浸料玻璃纤维。 图 1. 风力机叶片结构图叶片质量增加的趋势图 2 给出 750KW 至 4.5MW 风机叶片质量与风机转子半径的关系。简单地放大叶片，其质量将按转子半径的立方增加。但图 2 并非如此，仅是半径 2.3 次方的关系。从图 2 还可看到叶片质量有较大分散度。这主要因为材料、制造方法及设计准则的变化。对某一设计等级的某个制造厂,还可发现其质量增大另一种趋势。Vestas 的 V66 和 V80 叶片的质量差就是半径的 2.7 次方的关系。此指数值很接近立方放大关系。因为 V66 巳用了高性能预浸材料，己是轻重量设计,再降低重量(假定未改变纤维种类) 的空间不大了。质量增长指数低于立方关系，很可能是采用较厚截面的翼型的结果。LM35.0 和 LM43.8,在 IEC 二级,的质量差放大指数为半径的 1.7 次方,这大大低于其它各家的。这是因为 LM 设计中已在材料性能上采取了重大改进 , 和使用较厚截面的翼型。 图 2. 商用 MW 级叶片设计的质量增长(基本为玻璃纤维) 参 考文献 2 详细介绍了，商业叶片质量增长趋势，和气动力、结构设计、材料、
风力发电机结构介绍 风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 （1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。 （2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。 （3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。 （4）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 （5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。 （6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 （7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 MY1.5s/se型风电机组主要技术参数如下： （1）机组： 机组额定功率：1500kw
摘要 锅炉燃烧过程自动控制主要包括三项控制内容: 控制燃料量、控制送风量、控制引风量。为实现对燃料量、送风量和引风量的控制, 相应的有三个控制系统, 即燃料量控制系统、送风量控制系统和引风量控制系统。以上三个控制系统之间存在着密切的相互关联, 要控制好燃烧过程, 必须使燃料量、送风量及引风量三者协调变化。锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求, 同时保证锅炉的安全经济运行。在锅炉燃料控制子系统中, 有三种方案控制燃料量, 分别为: 燃料反馈的燃料控制系统、给煤机转速反馈的燃料控制系统和前馈加反馈的燃料控制子系统。其中, 给煤机转速反馈的燃料控制子系统是目前应用最多的。送风控制一般采取串级比值控制系统, 辅之以含氧量校正信号。引风控制系统一般引入送风量前馈信号, 使送风量与引风量相匹配。锅炉送风机、引风机是锅炉系统的重要设备，对提高介质的燃烧利用率、保证锅炉的正常使用起着关键作用。本次课程设计主要针对燃煤锅炉燃烧的送、引风系统进行设计。 关键词：锅炉、燃烧、自动控制、送引风
目录 摘要...................................................................................................... I 1.锅炉燃烧过程分析. (1) 1.1磨煤机的工作原理 (1) 1.2给煤机的工作原理 (1) 1.3空气预热器 (1) 1.4一次风机工作原理 (1) 1.5送引风机工作原理 (1) 1.6燃烧器布置 (3) 2.燃烧过程控制任务和调节量 (4) 2.1.燃烧过程控制任务 (4) 2.2燃烧过程调节量 (4) 3.锅炉送、引风机风压及风量的理论计算 (5) 3.1送风机风压与风量的确定 (5) 3.2引风机的风压与风量的确定 (6) 4.锅炉燃烧过程控制基本方案及分析 (8) 4.1蒸汽出口压力控制系统分析 (9) 4.2燃料量控制系统 (9) 4.3送风量控制系统 (12) 4.4引风量控制系统 (14) 5.控制系统单元元件的选择 (16) 5.1变送器的选择 (16)
风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 为了更好地发展我国的风力发电事业，实现风力发电机的国产化，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的 的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型， 然后利用有限元模拟对叶片进行了振动模态分析，得到各阶振动频 率和振型，为防止结构共振提供了依据。 关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化 THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTS ABSTRACT In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.
课程设计(综合实验)报告( -- 年度第一学期) 名称： 题目： 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成绩： 日期：
一、目的与要求 本次课程设计的主要目的： 1.掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法 2.熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作 3.掌握科研报告的撰写方法 本次课程设计的主要要求： 1．要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告 2．每小组提供一个手工制作的风力机叶片 二、主要内容 设计并制作一个风力机叶片 1．原始数据 三叶片风力机功率P＝6.03KW 来流风速7m/s 风轮转速72rpm 风力机功率系数Cp＝0.43 传动效率为0.92 发电机效率为0.95 空气密度为1.225kg/m3 全班分为2个小组，每个小组采用一种风力机翼型，翼型的气动数据（升力系数，阻力系数， 俯仰力矩系数）已知。 2．设计任务 2.1风力机叶片设计：根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算， 按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。 2.2根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。 四、数据计算 选用翼型s819 (一)叶片半径的计算：
由风力发电机输出功率： 21238 1 ηηπρP r C D V P = 得，叶片直径： m C V P D P r 10.37 .048.08234.1800 883 2 13=?????= = πηηπρ 叶片半径： m D R 55.123.12=== (二) 叶尖速比的计算： 整个叶片的叶尖速比： 31.57 329.460/72260/2110=??=?=Ω= ππλv R n V R 半径r 处的叶尖速比：1 0V r Ω=λ ① 设计中取9处截面，分别是叶片半径的20%处，叶片半径的30%处，叶片半径的40%处，叶片半径的 50%处，叶片半径的60%处，叶片半径的70%处，叶片半径的80%处，叶片半径的90%处，则由式①得到各截面处的叶尖速比分别为： 60.01 %20% 10=?= V R ωλ 1.201 %20% 20=?= V R ωλ 1.801 %30% 30=?= V R ωλ 40.21%40% 40=?= V R ωλ 00.31 %50% 50=?= V R ωλ 3.601 %60% 60=?= V R ωλ 20 .41 %70% 70=?= V R ωλ 80.41%80%80=?=V R ωλ 60 .51 %90% 90=?= V R ωλ 00.61 %90% 100=?= V R ωλ 各截面处翼型弦长： 确定每个剖面的形状参数N: 可根据公式： 9 4 )(/91622 00 + = R r r R N λλπ
内蒙古工业大学学报 JOU RN AL O F IN N ER M ON G OL IA 第30卷 第2期 U N IV ERSIT Y OF T ECHN O LO GY V ol.30No.22011文章编号:1001-5167(2011)03-0081-05 基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法 王志德1,胡志勇1,曹 艳2,李艳霞3,张国兴1 (1.内蒙古工业大学机械学院2.内蒙古工业大学理学院3.内蒙古工业大学图书馆呼和浩特010051) 摘要:以G52-850kW风力发电机风轮叶片为例,利用Glauert涡流理论相关原 理完成风力发电机风轮叶片的设计,基于三维CA D造型软件So lidw or ks,作出叶 片断面的草图,用三种方法实现了叶片三维造型,对这三种建模方法进行了比较, 具有一定的现实意义和实用价值。 关键词:风轮叶片;建模;造型分析 中图分类号:T P391.72;T P31 文献标识码:A 0 引 言 风轮是风力发电机(以下称风力机)最重要的部件之一。风力机就是依靠风轮把风所具有的动能有效转化为机械能并加以利用。风轮的设计好坏对风力机有重大影响。现代风力机风轮通常是采用三叶片的上风或下风结构。风轮叶展形状、翼型形状与风力机的空气动力特性密切相关。目前,在风力机风轮叶片的气动设计方面,还没有系统的设计模型和方法,只有针对某一方面的模型,这些模型还无法归纳成一套可靠的系统设计模型。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力,使之尽量趋于最大值,以增加风力机的风能利用系数。叶片气动设计主要是外形优化设计,这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风力机的发电效率,在风力机运转条件下,流动的雷诺数比较低,叶片通常在低速、高升力系数状态下运行,叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成,叶片叶型的设计变得非常重要。本文以Glauert涡流理论为依据设计叶片并优化,优化过程以叶轮的气动、功率数值计算为基础,根据不同的设计需要选取翼型。一般现代风力机的叶片都制成螺旋桨式的,目的是让整个叶片由根部到尖部各截面翼型的弦长与对应处的相对风速大致相同,并使其在最佳攻角值附近,使风力尽可能多地转换成叶片的升力,提高风力机的利用系数。 1 风力机风轮的主要数据参数 以辉腾锡勒风电厂所用的GA MESA公司的G52-850kW风力机为例,该风力机是三叶片式叶片,受风角度可调且主动偏航的风力机。其风轮和叶片的主要参数[1-3]如表1所示。 收稿日期:2010-09-12 作者简介:王志德(1959-),男,内蒙古工业大学机械学院,副教授,从事工程图学方面的研究 通讯作者:曹艳,讲师,从事工程数学方面的研究,E-mail:cy_llp@https://www.doczj.com/doc/6d15395131.html,
摘要介绍近年来将有限元软件ＡＮＳＹＳ应用于风力机叶片设计和分析的发展概况．并详细阐述使用ＡＮＳＹＳ实现叶片从实体 建模、材料参数定义、网格划分到性能计算的设定方法．为更好的进行风力机叶片结构设计、强度分析奠定基础。 关键词 风力机叶片 ＡＮＳＹＳ软件分析 中图分类号：ＴＫ８３１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９０６４（２００９）０２－０１０２－０３ 随着大型有限元通用程序的推广和普及以及计算机硬件技术的飞速发展，有些高校、企业和科研单位开始将有限元分析技术用于风力机叶片分析设计研究之中，但还不是很普及。ＡＮＳＹＳ软件是市场占有率最高的有限元软件之一。它是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件｛”。风力机在风能利用中占有最主要的地位．而叶片则是风力机中核心的部件。大型水平轴风力发电机组终年运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况非常复杂．主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。在风力发电机组的研究设计中，为了对其零部件进行强度分析、结构力学分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常运行。必须对风力机及其零部件进行静、动态分析。为风力机叶片结构改进和优化设计提供可靠的依据。 本文就近年来研究人员利用有限元法对叶片进行分析设计进行了总结，介绍了ＡＮＳＹＳ在叶片分析设计中的几种强大功能，应用这些功能可帮助研究人员进一步缩短研发时间，提高工作效率，降低研发成本。 ｌ叶片的实体建模 一般构造叶片实体模型的方法有２种：①在ＡＮＳＹＳ有限元程序中直接创建实体模型。可以采用自底向上自顶向下或者混合的建模方法；（函引入实体模型是将ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中Ｐｒｏ，Ｅ、ＵＧ等创建好的实体模型通过数据接口转换过滤器引入到有限元分析程序中去进行分析的一种方式。 由于风力机叶片外形和截面形状复杂，在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长．使得对叶片的实体建模存在较大的困 难。一般采用国际流行三维建模软件Ｐｒ０／Ｅ对叶片进行实体建模１２ｌ。所建立的叶片实体文件生成为ＩＣＥＳ格式，再由ＡＮＳＹＳ读取。以 图１用Ｐ删，Ｅ建立的叶片模型 ＮＡＣＡ６２３—６１５为例进 行建模及分析。 ２叶片的静态分析 静态分析是计算在固定不变载荷作用下结构的响应。如位 移、应力。应变及反力等，校核结 图２导入到ＡＮＳＹＳ叶片模型 构的强度、刚度，确保结构既能安全、正常工作．又符合经济性 要求。静态分析的基本步骤是单元分析、网格划分、约束处理、方程求解和结果后处理。后两步是由计算机和软件共同完成，这里主要对前三步进行介绍。 ２．１单元类型的选择 对于叶片这种用复合材料铺层结构的，根据材料的力学特性为正交各向异性还是各向同性．材料性能与纤维主轴取向、铺层数、铺层厚度等，所采用的单元类型和单元属性不尽 相同。 ＡＮＳＹＳ程序巾提供了一种特殊的单元一层单元，来模拟 复合材料．利用这些单元就ｎｒ以作任意的复合材料结构分析。用于建立复合材料模型的单元有ＳＨＥＬＬ９９、ＳＨＥＩ。１，９１、 ＳＨＥＬＬｌ８１、ＳＯＬＩＤ４６和ＳＯＬＩＤｌ９１ ５种单元，单元类型和形状 的选择依赖于结构或总体求解域的几何特点和方程类型及求解所希望的精度等１３】。前３种是３Ｄ壳单元，后两种是３Ｄ实体单元。由于风力机叶片的结构是大宽厚比，所以适合于选择壳单元．其中ＳＨＥＬＬ９９和ＳＨＥＩ。Ｉ．９ｌ都廿『用于风力机叶片。这两种单元都为８节点３Ｄ单元，ＳＨＥＬＬ９９允许有多达２５０层的等厚材料。用户町通过输入自定义的材料矩阵来建立模型。该单元可进行失效分析。它还有一项町以将单元节点偏置到结构的表层或底层。而ＳＨＥＩ．Ｌ９１单元允许的复合材料最多有１００层，而且用户不能输入自定义的材料性能矩阵。但该单元支持塑性、大应变行为以及具有一个特殊的”ｉ明治”选项，所以ＳＨＥＬＬ９ｌ单元更适合大变形的情况１４１。 ＳＯＬＩＤ４６单元是８节点３Ｄ实体单元ＳＯＬＩＤ４５的一种叠层形式，它的每个节点有３个自由度，每个单元允许２５８层的 作者简介：韦丽珍（１９７７－）。女。硕士研究生，研究方向：基于ＡＮＳＹＳ兆瓦级风力发电机叶片的戢荷研究。