风力机叶片设计与建模

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)3.3、V B编程计算翼型参数 (16)3.3.1、风力机设计参数 (16)3.3.2、需要计算的参数 (16)3.3.3、V B程序界面 (17)3.3.4、运行结果 (17)4、利用S o l i d w o r k s三维建模 (19)4.1、N A C A4412翼型相关数据 (19)4.2、模型展示 (20)5、总结 (25)参考文献 (26)致谢 (27)1、综述1.1、风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

风力机的叶片课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解风力发电的基本原理，掌握风力机叶片设计的基本概念。

2. 学生能够描述风力机叶片的几何特征，如翼型、弦长、扭角等，并解释它们对风力机性能的影响。

3. 学生能够运用物理知识分析风力机叶片在气流中的受力情况及其能量转换过程。

技能目标：1. 学生能够运用所学知识，通过小组合作设计简单的风力机叶片模型。

2. 学生能够利用技术工具（如CAD软件）进行风力机叶片的设计与模拟。

3. 学生能够通过实验和数据分析，评估不同叶片设计对风力机效率的影响。

情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到风力发电对环境保护和可持续发展的重要性，培养对可再生能源的积极态度。

2. 学生在团队协作中培养沟通、合作与解决问题的能力，增强合作意识和集体荣誉感。

3. 学生通过实践探索，激发对科学研究的兴趣，培养勇于创新、不断探究的科学精神。

本课程针对高年级学生，结合物理、工程与技术知识，旨在通过风力机叶片的设计与制作，使学生在掌握相关知识的同时，提高实践操作能力，培养科学探究和创新思维，同时强化环保意识和团队协作精神。

课程目标的设定符合学生认知特点，强调理论与实践的结合，注重培养学生的综合运用能力和实际操作技能。

二、教学内容本章节教学内容围绕风力机叶片的设计原理和制作过程展开，结合课本相关章节，具体包括：1. 风力发电原理：讲解风力发电的基本原理，介绍风力机叶片在风力发电中的作用。

2. 叶片设计基础知识：阐述叶片的几何参数，如翼型、弦长、扭角等，分析这些参数对风力机性能的影响。

3. 叶片材料与结构：介绍常用叶片材料及其特点，分析叶片结构设计对风力机性能的影响。

4. 叶片设计方法：讲解风力机叶片的设计方法，如经验法、优化法等，并指导学生运用CAD软件进行叶片设计。

5. 叶片模型制作：指导学生分组进行叶片模型的制作，掌握模型制作的基本步骤和技巧。

6. 实验与数据分析：进行风力机叶片性能测试实验，收集数据，分析不同叶片设计对风力机效率的影响。

毕业论文题目：750KW风力机叶片建模与模态仿真分析学院：专业：机械设计制造及其自动化班级：学号：学生姓名：导师姓名：完成日期： 2014年6月20日诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：日期：年月日毕业设计（论文）任务书题目： 750KW风力机叶片建模与模态仿真分析姓名学院专业班级学号指导老师职称教研室主任一、基本任务及要求：1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。

2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。

3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。

4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。

5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。

6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。

二、进度安排及完成时间：2014.2.20－3.5：课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。

2014.3.6－3.28：撰写文献综述和开题报告。

2014.3.29－4.8：确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。

2014.4.9－4.19：应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。

2014.4.20－4.27：应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。

2014.4.28－5.5：改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。

2014.5.6－5.26：撰写毕业论文、完成设计。

2014.5.27－6.10：整理毕业设计资料，毕业答辩。

目录摘要 (I)Abstract .................................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2研究的目的和意义 (1)1.3风力机叶片气动性能的研究现状 (2)1.4风力机叶片结构分析的研究现状 (3)1.5 风力机叶片模态分析研究现状 (4)第2章叶片建模简介与建模软件 (6)2.1 叶片建模简介 (6)2.2 UG NX产品简介 (6)2.3 本章小结 (7)第3章叶片模态分析理论与ANSYS软件介绍 (8)3.1叶片模态分析理论 (8)3.2 ANSYS软件介绍 (9)3.3 本章小结 (10)第4章叶片外形设计与三维建模 (11)4.1风力机叶片 (11)4.2叶片结构 (11)4.3风力机叶片翼型选择及设计参数 (12)4.3.1 翼型的选择 (12)4.3.2 叶片设计参数 (13)4.3.2 叶片截面空间坐标的求解 (15)4.3.3 坐标求解方法及结果 (16)4.4 叶片实体建模 (17)4.5 本章小结 (20)第5章模态仿真分析 (21)5.1 分析步骤 (21)5.2 叶片在约束状态下的模态分析 (26)5.2.1壳体填充模态 (26)5.2.2 壳体模态 (28)5.2.3 结果分析 (29)5.3.预应力模态 (30)5.3.1额定转速工况 (30)5.3.2对不同转速分析 (32)5.4 本章小结 (32)第6章结论与展望 (33)6.1 结论 (33)6.2 展望 (33)参考文献 (35)致谢 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

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:A0 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。

风力发电系统的建模与优化设计风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，近年来得到了广泛应用和发展。

为了更好地利用风力资源，提高风电系统的发电效率和可靠性，建立一个准确的风力发电系统的数学模型，并进行优化设计，成为风力发电工程中的重要问题之一。

一、风力发电系统的数学建模1. 风能的捕捉与转换风能的捕捉主要依靠风力涡轮机（也即风力发电机）实现。

风力涡轮机由塔筒、叶轮、机组等组成，通过叶轮受风的冲击产生转动，进而带动风力涡轮机的机组转动。

风力涡轮机主要包括水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机等不同类型。

2. 风力观测与风速模型为了确定设计风速、分析风电场可行性等，需要对风速进行模拟和观测。

常用的方法包括统计学方法、气象学方法和时间序列分析方法等。

通过统计风速资料，建立风速模型，可以预测风电场未来一段时间内的风速变化趋势。

3. 风力发电机组建模风力发电系统中的发电机组是将风能转化为电能的核心部件。

风力发电机组的建模可以基于物理模型、等效电路模型或者系统辨识方法实现。

建模的目的是为了分析和控制风力发电机组的运行特性。

二、风力发电系统的优化设计1. 风电场的布局与设计风电场的布局和设计是风力发电系统优化的起点之一。

通过合理的布局和设计，可以最大程度地提高风电场的发电效率。

布局和设计的关键问题包括选择合适的场地、确定风力发电机组的数量和布置方式等。

2. 风力发电机叶片的优化设计风力发电机叶片是转换风能的关键元件，其优化设计对风力发电系统的性能有着重要影响。

通过优化叶片的几何形状、材料以及旋转速度等参数，可以提高叶片的捕捉效率和抗风性能，从而增加风力发电系统的发电能力。

3. 风力发电系统的控制策略优化风力发电系统的运行控制对于提高发电效率和保证系统安全稳定运行至关重要。

通过对发电机组的控制策略进行优化，可以实现在不同的风速条件下最优的发电功率输出。

常用的控制策略包括最大功率跟踪控制、电网电压和频率控制等。

4. 风力发电系统的可靠性优化风力发电系统的可靠性是保证系统连续高效运行的重要指标。

风力发电机叶片设计风力发电机叶片设计是指设计和制造适合风力发电机使用的叶片，以最大程度地从风能中获取能量，并将其转换为电能。

叶片设计的主要目标是提高发电机的效率、降低维护成本和延长叶片使用寿命。

下面将从叶片设计原理、材料选择、几何形状和结构设计等方面详细介绍风力发电机叶片设计。

叶片设计的原理是基于空气动力学原理，即通过叶片与风之间的相互作用来获得动力。

在设备运行过程中，叶片受到来自风的力和阻力的作用。

为了提高风能的捕获效率，叶片需要具备良好的气动性能，使风能充分地传递到发电机上。

材料选择是叶片设计的重要环节。

叶片需要具备良好的强度和刚度来承受风压力和旋转力。

常用的材料包括玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和木材等。

其中，GRP是最常用的材料之一，因为它相对便宜且易于加工。

CFRP 具有较高的强度和刚度，但成本较高。

木材具有较好的弹性和耐久性，但需要进行防腐处理。

叶片的几何形状是影响风能捕获效率和运行稳定性的重要因素。

几何形状包括叶片长度、弦长、扭转角和平均弯曲半径等。

一般来说，叶片长度越长，捕获风能的面积越大，但受到的风力也越大。

叶片的弦长和扭转角决定了叶片的气动特性，对叶片的刚性和强度要求也有一定影响。

平均弯曲半径则影响了叶片的载荷分布和结构强度。

叶片的几何形状需要通过数值模拟和实验验证来确定最佳设计。

叶片的结构设计是确保叶片可以顺利运行并承受外部环境力量的关键。

结构设计包括叶片的内部结构、连接方式和防护措施等。

叶片常常采用空心结构，以降低自重和提高强度。

连接方式通常采用螺栓连接或胶粘剂连接。

叶片的内部结构可以通过加入加筋肋、填充泡沫等方式来增加刚度。

为了防止叶片受到外部环境的侵蚀，叶片表面通常采用防腐涂层或防风腐蚀材料。

除了以上设计原则，叶片的制造工艺和质量控制同样重要。

制造工艺包括叶片模具设计、复合材料制备、成型和固化等。

质量控制需要对叶片的尺寸、质量和结构进行严格控制，以确保叶片的一致性和可靠性。

玻璃钢研究报告2007 年第 2 期风力机叶片外形参数化建模孙 永 泰(上海玻璃钢研究院，上海 201404)摘要本文通过离散再组装的过程， 实现了叶片外形曲面几何模型的参数化建立， 方便了产品的设 计开发。

在离散和组装的过程中使用到 AutoCAD 和 UG 的强大绘图功能，在坐标变换的过程中 使用到 Matlab 的强大数值处理功能。

关键词：风力机叶片坐标变换翼型Matlab1引 言风力机依靠叶片捕获风能，为达到最佳气动性能，叶片具有复杂的气动外形。

在叶片的设计和制造过程中，进行 CAE 仿真和制作模具都需要叶片外形的几何模型。

叶片外形曲面复杂，但是有律可循，是由翼型族、弦长、扭角、相对厚度、参考轴位置 等参数来确定的。

本文通过坐标变换实现叶片外形几何的参数化建模。

2数据准备2.1 坐标系 本文采用的坐标系，如图 1 所示，X 轴由前缘指向后缘，Y轴由工作面指向气动面。

在 上风向顺时针风力机中，原点位于根端法兰圆心，X 轴为旋转平面与根端法兰平面的交线， 指向后缘，Y 轴在根端法兰平面内指向塔架，X、Y与 Z 轴组成笛卡尔右手坐标系。

2图 1 本文采用的坐标系2.2 翼型 不同站位的翼型选择是风力及叶片气动外形设计时首先要解决的关键问题。

设计叶片 时，要根据风力机叶片空气动力特性、结构特性和空间利用等方面的综合因素来选择翼型， 并沿站位方向（展向）进行合理配置。

所以在不同站位处的翼型不一样 [2] 。

一般需要为每种 叶片准备约 10 个不同相对厚度的翼型。

一个翼型族具有数个（一般为三五个）不同厚度的翼型。

但是对于这里的准备工作可能 不够多，要对已有的翼型修型得到足够多的（10 个）翼型。

修型一般采用厚度修型和弯度 修型方法。

另外需要对部分翼型进行后缘加厚处理 [2]。

本文要通过翼型的坐标变换来获得叶片曲面，首先的准备工作是将前述 10 个翼型都离 散成若干个坐标点。

以 S821 翼型为例[1]，在 AutoCAD 中以样条曲线绘出翼型后，使用菜单->绘图->点->定数等分，将上面(气动面)分为 499 份，下面(工作面)分为 500 份。

基于solidworks的风力发电机叶片的建模方法随着全球能源消耗量的不断增加，新能源的开发和利用已经成为了人们关注的焦点。

风力发电机作为一种环保、可再生的能源，已经成为了人们关注和研究的热点。

而风力发电机的核心部件——叶片的设计和制造，对于风力发电机的性能和效率起着至关重要的作用。

本文将介绍一种基于SolidWorks的风力发电机叶片的建模方法，以期为相关研究和制造提供参考。

1. 文献综述风力发电机是一种将风能转化为电能的装置，其核心部件是叶片。

目前，国内外学者已经开展了大量的关于风力发电机叶片的研究工作。

其中，建模方法的研究是其中的一个重要方向。

在国内，刘志军等人提出了一种基于Pro/E的叶片建模方法，该方法可以实现叶片的三维建模和参数化设计。

在国外，Khurram et al.使用SolidWorks和ANSYS 软件对风力发电机叶片进行了建模和分析，研究了叶片的结构和动态特性。

2. SolidWorks建模方法SolidWorks是一种三维计算机辅助设计软件，它可以实现三维建模、装配和绘图等功能。

在进行风力发电机叶片的建模时，可以采用SolidWorks软件进行建模。

具体步骤如下：2.1 建立零件首先，需要建立一个零件，以便于后续的操作。

在建立零件时，可以选择叶片的基本形状，比如直线、曲线等。

然后，根据实际需要，对叶片进行拉伸、旋转等操作，使其达到所需的形状和尺寸。

2.2 添加特征在建立叶片的基本形状后，可以通过添加特征来对其进行进一步的设计。

比如可以添加倒角、圆角、孔等特征，以满足叶片的实际需求。

此外，还可以添加草图、曲面等特征，以实现更加复杂的形状和结构。

2.3 建立装配在完成叶片的建模后，需要将其装配到风力发电机上。

在进行装配时，需要先建立风力发电机的主体，然后将叶片和主体进行装配。

在装配时，需要考虑叶片的位置、方向等因素，以确保风力发电机的正常运转。

3. 结论与展望基于SolidWorks的风力发电机叶片建模方法具有简单、易用、高效的特点，可以快速地实现叶片的设计和制造。