风力机叶片设计教学

第４３卷第５期　２０１１年ｌＯ月　南京航空航　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　天　大　学　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　学　报　＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．５　０Ｃｔ．２０１１　

风力机叶片优化设计目标　

吴江海　王同光　赵新华　

（１．南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，南京，２１００１６；　２．无锡风电设计研究院有限公司，无锡，２１４１７４）　

摘要：研究了变桨型风力机叶片的气动性能计算、叶片设计载荷评估、叶片结构设计、风力机组成本评估及风电　场运营模型，并将这些模块进行了整合，得到了度电成本的计算方法，同时提出了风场运营收益最大这一叶片设　计目标。基于有针对性的叶片参数化描述，采用自适应模拟退火算法，分别以不同的目标优化设计了１．５　Ｍｗ变　桨型的叶片　分析比较了度电成本及风场收益两个指标在平衡发电量和成本上的区别，认为在可以确定上网电　价的情况下，以风场收益最大为目标设计叶片能为风电运营商带来更多的收益。　关键词：风力机叶片；风场收益；优化设计　中图分类号：ＴＭ６ｌ４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—２６１５（２０１１）０５—０６６１—０６　

Ｄｅｓｉｇｎ　Ｔａｒｇｅｔｓ　ｆｏｒ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

Ｗｕ　Ｊｉａｎｇｈａｉ　，Ｗａｎｇ　Ｔｏｎｇｇｕａｎｇ　，Ｚｈａｏ　Ｘｉｎｈｕａ　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｈｉ—Ｔｅｃｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ，　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ；　２．ＷＵＸｉ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＷＵＸｉ，２１４１７４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｌａｄｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｂｌａｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｌｏａｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｂｌａｄｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅ—　

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,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

第４３卷第１２期　２０１７年１２月　水力发电　

风力讥叶片　动ｌ『『兰能设计研究　

李文浩，余　波，张礼达，崔军玲　

（西华大学能源与动力工程学院，四川　成都６】００３９）　

摘要：在风力机组叶片的设汁参数ｆ｛】，弦Ｋ、扭角和主要冀　滞　片腱ｍ的发放化鼠埘ｉｉ　片的气动性能何符极其　

重要的影响　堪于动量叶索理沦．考虑叶片损失、推力修正和…片　度、宽度对ｌＩＩ’采攻加的改变等　采．编　０　’风　

力机气动性能汁算程序　发展＿ｒ基于遗传算法．以叶片弦长、　『ｆ】ｆ１Ｉ｝　要翼型沿ＩＩ　‘腱…安放化　作为变　，以　能资源利用系数最大化为ｆｉ标的风力机叶片　动性能设ｉｆ　力　法　ｆ：给出　例，得划．种　能利州系数　ｏ．４８０　７的　

风力机叶片．证明了该方法的口』行性．　

关键词：风力机叶片；气功没汁；遗传弹法；　，１　分ｍ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｂｌａｄｅ　Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｈｉｎｅ　

Ｉ　１＼￣ｅｎｈａｏ．、Ｌ　Ｂｏ．ｒ／ＨＡ、（　Ｉ．ｉｄａ．（：ｔ　Ｉ　Ｉ｜１１１ｌｉｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ＥｎｅＩｇ）｜ｌｌｌＩＩ｝’（）　Ｐ　ＴＩ　Ｅｌ１ｇＩｌ１Ｐ（　Ｉｉｎｇ　Ｘｉｈｕａ　）ｉｔ、【－ｒｓｉＩ、．　（　ｌｌＩ、ｎｇ（１ｌ】６ｌ００３９．　１（ｈｔ［ｄｌ！　Ｉ；ｈｉｌ１　Ｉ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉ）Ｉ　１）ｌａｄｅ　ｌｌｅｓｉｇｎ　ｌｌｉｌ１ｉ．１１１１１　Ｉｖ）ｓ（　ｗｉｎ（Ｉ　Ｉｕ　ｒｌｌｉ『ｌｌ’．１ｈｅ！）ｌａｄｅ　Ｉ‘ｌｌｌ１　ｒｌＩ＿Ｉ　））ｇｔｈ．　ＩＶ，！ｓｔ　ｉｌｌ，ｇｌ（　ａｎｄ＿Ｉｌｔ　ａｉ　ｒＩ　）ｊｌ　ＩＩｉ　ｓｉ　ｒｉｌ）ｕｌｉｔ）ｔ１　ａｈ）ｎｇ　

ｈｌａｄｅ‘Ｉｌｌ’Ｐｔ‘Ｉ；ｎｌｌ　ｈａｓ　Ｉ、Ｐ　ｒ、ｉｍ１）Ｏ　ＺＩｔｌｌｌｌ　ｉｎｌｈｗｍ　Ｐ（１１１　ｌｈ（、ｌｌＩ．ｆｔ）１１　ｘｌｌｔｌｌｆＩｉ＇ＩｌＩ　ｒ“’ｒＩＩｌｔｌｌｌ（ｔ　Ｉ１ｆ　ｈｌｍｈ　．Ｉ｛　Ｉ、Ｉ　ｆｌ　Ｏｉｌ　ｌＩｌ１ｌｌｉｆｔ＇ｌｉｔｔｌｌｌｆ—１）ｈ．ｈ－ＩＩｆ＋－”　．Ｉｌｌ（＋　

西华大学

硕士学位论文

风力机风轮叶片结构设计与分析

姓名：任腊春

申请学位级别：硕士

专业：流体机械及工程

指导教师：张礼达

20080301西华大学硕士学位论文

风力机风轮叶片结构设计与分析

流体机械及工程专业

研究生任腊春指导教师张礼达

风力发电机组主要零部件的设计与分析方法的研究是大中型国产化

风力发电机组的自主开发设计和批量生产的关键技术之一。本文在某

２０ＫＷ风力机叶片的气动设计基础上，根据风力机叶片结构设计理论对其进行了结构设计，包括载荷的计算、材料的选用、结构形式的确定、铺层设计、根端连接设计等。随后利用三维建模软件ＵＧ对己设计好的叶片进

行三维实体建模。最后应用ＡＮＳＹＳ有限元软件对所设计的叶片进行结构

特性有限元分析：（１）对叶片进行静强度分析，得到叶片在特定载荷工况

下的应力与变形情况，并对其进行强度、刚度校核；（２）对叶片进行模态

分析，得到叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率和振型，并分析比较了静止时和额定转速运行时叶片的固有频率和振型，结果与实际相吻合；（３）

对叶片进行屈曲分析，得到叶片的屈曲载荷和屈曲变形，以及在特定的载荷工况下的稳定性情况。从分析计算的结果可以看出，叶片的结构设计满足设计规范要求，验

证了设计及分析方法的可靠性，这将为风力机叶片的设计研究及分析提供

了一种新的途径。

关键词：风力机叶片；结构设计；有限元；特性分析西华大学硕士学位论文

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＲｏｔｏｒＢｌａｄｅｓ

ＦｌｕｉｄＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｍ．Ｄ．Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：ＲｅｎＬａ－ＣｈｕｎＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＺｈａｎｇＬｉ－Ｄａ

Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｔｕｄｙｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄ＂ａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｍａｉｎｐａｒｔｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ

ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｅｔ，ｉｓｏｎｅｏｆｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｗｏｒｋｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅｏｒｍｅｄｉｕｍ—ｓｃａｌｅ