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]。

基于Wilson理论的大型风力机叶片三维实体建模针对大型风力机叶片设计复杂、曲面造型困难的问题，选择NACA4415翼型的气动参数，建立翼型原始坐标，得到气动性能最佳的翼型攻角。

以Wilson 理论为基础，结合叶素动量理论得到叶片的外形数据，对风力机叶片进行气动外形设计。

利用MATLAB软件进行叶素弦长和扭转角迭代求解，采用数值拟合的方法对叶素弦长和扭转角进行修正，输出叶素剖面的实际外形参数。

在无法实现传统建模的情况下，提出参数导入的建模方法，对各叶素剖面进行相应的三维空间坐标转换，将计算结果导入Pro/E软件进行叶片的三维实体建模，完成叶片的程序化和參数化建模，大大提高叶片的设计效率和造型精度。

标签：风力机叶片；Wilson理论；气动设计；MATLAB；三维建模21世纪以来，化石燃料的过度燃烧导致了严重的环境污染，风能凭借其清洁、可再生以及蕴藏量丰富等优点越来越受到重视。

目前，各国都在积极研究风能利用技术，其中以风力发电技术最为突出[1]。

风力机叶片的气动外形设计直接决定了风轮的气动性能，从而决定了风力机的风能利用系数。

对风力机的叶片进行气动外形设计，包括决定风轮直径、叶片数、各叶素剖面弦长以及扭转角分布[2]。

文章针对某1.5MW的风力机的设计参数作为原始设计参数，采用Wilson理论对叶片进行气动外形设计，结合叶素动量理论[3-4]得到叶片的外形数据，对风力机叶片进行气动外形设计。

利用MATLAB软件进行叶素弦长和扭转角迭代求解以及处理叶素坐标变换，并采用数值拟合的方法对叶素弦长和扭转角进行修正，输出叶素剖面的实际外形参数。

在无法实现传统建模的情况下，提出参数导入的建模方法，将计算结果导入Pro/E软件进行叶片的三维实体建模，完成叶片的程序化和参数化建模。

1 翼型选择及坐标确定现代风力机叶片设计大多选择已经成熟的翼型，风力机叶片的翼型根据使用情况可分为传统航空翼型和风力机专用翼型[5-6]。

基于Solidworks风力机叶片三维建模及模拟分析基于 Solidworks 风力机叶片三维建模及模拟分析#张仁亮，张俊彦，孙勤**10 15 20（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 411105）摘要：风机叶片是风力发电机组的重要组成部分，对其进行研究分析是十分重要的。

选取不同的翼型，利用 Glauert 漩涡理论的气动力学计算方法，获取叶片最优化几何参数。

通过Solidworks 软件强大的三维建模功能，快速、准确的实现不同翼型叶片的三维造型；并通过 SolidWorks 软件中的 Flow Simulation 模块，对不同翼型的叶片进行模拟并分析比较其结果。

关键词：翼型；弦长；安装角；流动模拟分析中图分类号：TH122Wind Turbine Blade 3-D Modeling and Simulation AnalysisBased on SolidworksZhang Renliang, Zhang Junyan, Sun QinCollege of Civil Engineering and Mechanics Xiangtan University, HuNan XiangTan 411105Abstract: The fan blade is an import components of wind energy power generation,it is vitalimportant to studying and analyzing the blade.Choosing different airfoil and obtaining the bladeoptimization geometric parameters through using air dynamicscalculation method;Differentairfoil blades are accurately modeled with 3-D software of Solidworks. Flow simulation analysisis finished on the software of Solidworks Flow Simulation and discussing the results of theanalysis.Keywords: blade airfoil; chord length; setting angle; flow simulation analysis250 引言当今，随着社会经济的发展和人民生活水平的日益提升，对于能源的消耗也在与日俱增。

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 COMPONENTSABSTRACTIn 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.KEY WORDS: wind turbine, blade, FE simulation, optimization第一章绪论1.1 能源问题及可再生能源的现状与发展受世界经济的发展和人口增长的影响，世界一次性能源消费量持续增加，1990年世界国内生产总值为26.5 万亿美元(按1995 年不变价格计算)，2000 年达到34.3万亿美元，年均增长2.7%。

风力机桨叶的三维建模与动力学特性有限元计算摘要风力发电的快速发展带动了风力发电技术的不断发展和改进。

其中，风力机桨叶作为核心部件之一，其设计和优化将直接影响风力发电机组的性能。

本文采用有限元建模软件，对风力机桨叶的三维建模进行了研究，并对其动力学特性进行了计算分析。

研究结果表明，该测算方法对提高风力发电机组设计效率、降低产品开发成本具有积极的意义。

关键词：风力机桨叶；有限元建模；动力学特性；计算分析一、引言近年来，风力发电已成为可再生能源领域的极具前景的一项领域，全球各国纷纷推进了风力发电的研究、开发和生产。

其中，风力机桨叶是风力发电机组的核心部件之一，其设计和优化将直接影响风力发电机组的性能。

桨叶的设计不仅仅是单纯的长度和宽度问题，更注重的是提高发电机组的产能和稳定性、降低噪声和震动等方面问题。

传统的桨叶的设计方法多基于经验，设计人员不得不通过一次又一次的试验，寻找最优解，该方法不仅浪费时间和资源，而且效果受到很大限制和不确定性。

而现代化的桨叶设计方法采用了计算机模拟的方法，将复杂的模型化简成简单的三维模型，采用有限元计算求解出桨叶受力和振动等特性，从而实现结构件的设计和优化。

本文主要研究风力机桨叶的三维建模及其动力学特性的有限元计算分析。

研究结果表明，有限元建模方法能够有效提高风力发电机组的设计效率，降低设计成本。

二、风力机桨叶三维建模1、建模方法将风力机桨叶建模成简单的三维模型，可以大大降低有限元计算的计算量。

本文采用“曲线、旋转、抽象、布尔和拷贝”等3D建模的五大基本方法进行桨叶的建模。

2、参数设置为了便于计算和优化，设置某些与叶片设计有关的参数，如厚度、长度、宽度、扭矩等。

3、建模步骤将参数性质的曲线拟合建模，然后将三维模型按照一定的比例进行放缩。

最后，建立剖面样本，并将其旋转一定角度，形成实际的桨叶的形状。

图1 桨叶三维建模过程三、动力学特性有限元计算分析1、建立初始模型根据3D建模得到的桨叶模型，将其转化为CAD图形，并划分成若干个三角形单元。

224基于UG的风力机叶片三维建模陈容满　王　茶　蔡泽昱　罗永新　周文平（六盘水师范学院物理与电气工程学院，贵州　六盘水　553000）摘　要：叶片是风力机中最基础和最关键的部件，会对风力机性能产生重要的影响。

本文从叶片各个截面的翼型出发，采用UG软件对WindPACT1.5MW风力机的叶片进行三维建模。

关键词：风力机；叶片；翼型；UG；三维建模风力机是以自然风为动力的原动机，其外部结构主要由叶片、轮毂、机舱和塔架组成。

风力机叶片的结构对空气绕流场及气动载荷具有较大的影响[1]。

在风力机气动性能及结构载荷分析过程中，叶片的三维建模是最基础的环节。

但是，叶片的截面形状复杂,特别是在翼展方向还存在扭转角和渐变的弦长，因此三维建模比较困难。

本文将借助UG软件的实体化曲面处理能力，从叶片各个截面翼型的原始二维坐标数据出发，构造出叶片截面翼型的样条曲线,然后建立风力机叶片的三维实体模型。

本文的三维建模方法具有高效和准确的特点，能够为后续风力机气动性能及结构载荷分析提供基础和指导。

一、1.5MW风力机叶片主要参数本文对WindPACT 1.5 MW风力机进行三维建模。

该风力机为美国国家可再生能源实验室（NREL）设计的参考风力机，转子半径为35m。

该风力机不同截面高度的扭转角、弦长、翼型等参数如表1[2]。

表1　叶片翼型参数表Distributed Blade Aerodynamic Properties for the WindPACT 1.5-MW ModelNode (-)RNodes(m)AeroTwst(°)DRNodes(m)Chord(m)Airfoil(-)1 2.8583311.10 2.21667 1.949Cylinder.dat2 5.0750011.10 2.21667 2.269S818_2703.dat 37.2916711.10 2.21667 2.589S818_2703.dat 49.5083310.41 2.21667 2.743S818_2703.dat 511.725008.38 2.21667 2.578S818_2703.dat 613.94167 6.35 2.21667 2.412S818_2703.dat 716.15833 4.33 2.21667 2.247S818_2703.dat 818.37500 2.85 2.21667 2.082S828_2103.dat 920.59167 2.22 2.21667 1.916S828_2103.dat 1022.80833 1.58 2.21667 1.751S828_2103.dat 1125.025000.95 2.21667 1.585S828_2103.dat 1227.241670.53 2.21667 1.427S825_2103.dat 1329.458330.38 2.21667 1.278S825_2103.dat 1431.675000.23 2.21667 1.129S826_1603.dat 1533.891670.08 2.216670.980S826_1603.dat二、叶片参数的处理该风力机采用的翼型有三种，分别为S818，S825，S826，如图1所示。