风力发电机叶片设计及三维建模

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。

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基于UG的风电叶片三维建模研究曾明伍;赵萍;钟贤和【摘要】作为叶片三维CFD分析、叶片结构设计和叶片模具设计的基础,必须建立叶片的三维模型.文章提出了风电叶片的一种三维建模方法,首先介绍了如何合理选取翼型和设计后缘型线,利用Excel软件将翼型坐标点变换为叶片各个截面的三维空间坐标,最后运用UG强大的三维曲面建模功能建立叶片几何外形的复杂曲面.该方法缩短了建模周期,提高了叶片三维模型的准确度,为更好地进行叶片结构分析等后续工作打下良好的基础.文章最后还简单介绍了基于叶片三维模型的初步结构设计,为叶片结构设计和工艺设计人员提供帮助.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P40-44)【关键词】风电叶片;翼型;三维建模;UG【作者】曾明伍;赵萍;钟贤和【作者单位】东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司,四川德阳,618000【正文语种】中文叶片是风力机中最重要的部件，其良好的性能是保证风力机稳定运行的关键。

风力机叶片设计主要分为气动设计和结构设计，气动设计的任务是设计出叶片的主要几何参数，保证叶片有良好的气动性能，如果要对叶片进行三维 CFD 分析，就必须建立叶片三维模型；结构设计的任务是设计出叶片的详细内部结构，并进行结构分析，保证叶片的结构具有良好的力学性能，满足强度、刚度、稳定性等要求，而结构设计的前提是必须建立叶片的三维模型。

另外由于风电叶片属于中空壳体结构，需要在模具上分别制作上下两半壳体，必须建立叶片的三维模型才能进行叶片母模和模具设计。

因此，建立叶片三维模型是叶片设计中不可或缺的重要组成部分，本文中叶片的三维模型指叶片几何外形的三维模型。

根据叶片的气动分析结果，可以得到叶片的主要参数，包括弦长、扭角、相对厚度、变桨轴位置以及预弯等（见表1）。

2.1 翼型的选取风电叶片的几何外形基于一定的翼型族进行设计，通常选取同一系列翼型族中相对厚度为18%、 21%、 25%、 30%、 35%、 40%的 6 个翼型作为叶片几何外形设计的原始翼型，叶根段采用相对厚度为 100%的圆柱，通过线性插值得到各原始翼型之间的截面数据。

风力发电机叶片设计及三维建模的开题报告
一、研究背景及意义
随着环保理念的日渐普及，风力发电作为一种新兴的清洁能源，被越来越多的国家和地区所重视。

在风力发电系统中，风力发电机是核心部件之一，其效率和工作稳
定性对于整个系统的运行都至关重要。

而风力发电机叶片作为转子的关键部件，直接
影响整个系统的发电效率。

因此，对于风力发电机叶片的设计和制造具有重要的意义。

目前，风力发电机叶片设计主要使用计算机辅助设计软件进行建模和仿真，但是由于叶片的特殊几何形态，三维建模相对较为困难。

因此，本研究旨在探究基于计算
机辅助设计的风力发电机叶片设计方法，并通过三维建模完成叶片的设计与制造。

二、研究内容及方法
1. 分析风力发电机叶片的结构特点和工作原理；
2. 研究风力发电机叶片的设计理论和计算方法；
3. 选择合适的计算机辅助设计软件，进行叶片三维建模；
4. 建立风力发电机叶片的有限元模型，进行仿真分析；
5. 优化叶片设计方案，提高其发电效率和工作稳定性；
6. 利用3D打印等技术制造叶片样板，并进行实验验证。

三、预期成果
1. 完成风力发电机叶片设计理论的研究；
2. 完成风力发电机叶片三维建模的设计；
3. 完成风力发电机叶片的有限元仿真分析及优化设计；
4. 完成风力发电机叶片样板的制造与实验验证。

四、研究意义
本研究可为风力发电机叶片的设计与制造提供新的思路和方法，优化现有叶片设计方案，提高叶片发电效率和工作稳定性，从而推动风力发电技术的发展，促进清洁
能源的利用。

同时，本研究也可为计算机辅助设计在其他工程领域的应用提供参考。

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。

大型风机叶片气动外形参数计算及三维建模方法靳交通1，彭超义2，潘利剑1，曾竟成2（1. 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007；2. 国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙，410073）摘要：结合工程实践，基于Schmitz理论计算出风机叶片气动外形参数并利用三维坐标变换原理计算截面翼型空间分布位置，在此基础上，以大型三维设计软件UG为工作平台建立了叶片三维气动外形，并完全满足五轴数控加工制造要求，从而验证了该方法的可靠性。

这一方法简化了复杂曲面的设计过程，提高了工作效率，为后续的数控加工、模具制作、结构设计及计算奠定了基础。

关键词：风机叶片，气动外形，参数计算，三维建模The Study of the Shape Parameters and 3D Modeling for Large-ScaleWind Turbine BladeJIN Jiao-tong1, PENG Chao-yi2, P AN Li-jian1, ZENG Jing-cheng2(1. Zhuzhou Times New Materials Technology CO.,LTD, Zhuzhou 412007,China；2.College of Aerospace and Material Engineering，NUDT，Changsha 410073, China)Abstract: Based on Schmitz theory and actual project, calculated blade shape parameters. And calculated space position of blade section airfoil using 3D coordinate conversion theory. On the basis of that. achieved the 3D modeling of blade shape on the working platform of the large-scale 3D software UG .This calculation and modeling method fully meet the five-axis CNC machining manufacturing requirements. Thus has confirmed that reliability. That method simplified the complex surface design process, and improved the work efficiency. And laid the foundation for the following molding, structure design and calculation.Key Words: Wind turbine blade, Aerodynamic shape, Parameter calculation, 3D Modeling1 引言大型风机叶片是风机设备中将风能转化为机械能的关键部件[1]。