风电叶片结构设计
R=0.1 Frequency=4Hz
Remaining static strength = 97%典型风机叶片的疲劳载荷-循环次数曲线
如果叶壳全部采用玻璃钢复合材料制造，达到要求的强度所需厚度只有几毫米。但是因为从梁帽到后缘的距离有1米多长，如果采用几毫米的厚度则刚度不足。这也会导致空气动力学问题和发生脱粘现象。
增加玻璃钢层的厚度可以解决这个问题，但又会导致重量和成本增加。因此叶壳部分多
避免撞击的一个简单的办法就是加大静止时的叶尖和塔架间距，可以调整转子位置或是倾斜一定角度，还可以设计预弯型叶片或是锥形叶片。在实际应用中这些方案都或多或少地存在一些问题，例如降低空气动力学效率，增加生产成本（例如加大间距型风机需要更高性能的机舱轴承）等
失效前叶根部FEA受力分析示意图
如果对某些部位的疲劳性能有所担心，就可以通过FEA分析得到更加详细的信息。对于承载能力较差的区域可以通过分析载荷图谱计算出叶片使用过程中的累积破坏，并确切的知道是否会发生提前破坏。
风力发电基础知识
风力发电基础知识 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。 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，大约是每秒三公尺的微风速度（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，为风力发电 没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 转子空气动力学 为了解风在风电机的转子叶片上的移动方式，我们将红色带子 绑缚在模型电机的转子叶片末端。黄色带子距离轴的长度是叶 片长度的四分之一。我们任由带子在空气中自由浮动。本页的 两个图片，其中一个是风电机的侧视图，另一个使风电机的正视图。 大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。 为什么转子叶片呈螺旋状？ 大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。 风电机结构
机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。 轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装 置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。 图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一 次只会偏转几度。 电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制 偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该 控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来 呼叫风电机操作员。 液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。 塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 风速计及风向标：用于测量风速及风向。 风电机发电机 风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的，电网上
风电叶片设计流程
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。
风电叶片气动噪声数值模拟研究
风电叶片气动噪声数值模拟研究 摘要：为降低风电叶片气动噪声，运用耦合计算流体力学（Computational fluiddynamics，CFD）方法对风电叶片进行气动噪声数值模拟。本文运用流体动力学软件STAR-CCM+得到叶片表面压力分布。 研究发现： 叶轮旋转过程中，叶片表面声功率最大值主要靠近叶尖后缘区域。叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值为96.33db，原叶片表面声功率为98.1db。此外，叶片加降噪结构后，其表面声功率最大值出现的区域比原叶片小。因此，在叶尖后缘处加降噪结构可以有效降低叶片表面声功率，同时大幅减小表面声功率最大值的分布区域。 关键词：风电叶片，气动噪声，CFD
目录 1. 前言 (3) 2. 风电叶片气动噪声分析模型 (3) 3. 风电叶片气动噪声分析 (4) 3.1. 风电叶片气动噪声分析 (4) 3.2. 风电叶片气动噪声计算 (5) 4. 结论 (6)
1.前言 近年来，风能在世界可再生能源中的比重日渐增长，成为各国能源工业关注的焦点。但是，随着人们环保意识的不断增强，以及风电场距离居民区越来越近，风力机气动噪声问题日益凸显，亟待有效的风力机气动噪声抑制技术。 风力机噪声主要来自于叶片气动噪声，叶片气动噪声是由于气流流经叶片界面产生分裂导致形成附面层及漩涡分裂脱离引起的一种非稳定流动噪声。通过在叶片靠近叶尖后缘处加降噪装置（锯齿）可以降低叶片气动噪声[1]。降噪结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置，从而增大了涡心之间的距离，抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动，进而减小叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声。 目前，风电叶片气动噪声研究主要包括CFD方法和试验方法。许影博等运用低速开口风洞研究了采用锯齿型翼型尾缘来控制翼型噪声的方法[2-4]。Carlos A运用Proudman andLilley声学模型对锯齿尾缘的声学特性进行仿真分析[5]。试验方法需要较大的人力、物力，而数值模拟方法相对于试验方法其优点在于可以比较快速地进行噪声计算，有效缩短噪声计算周期，并且能够预测不同来流条件、不同参数下的噪声。 为确定风电叶片噪声源，运用CFD方法对风电叶片开展气动噪声分析，确定叶片气动噪声分析流程，为风电叶片气动噪声设计提供依据。 2.风电叶片气动噪声分析模型 风电叶片气动噪声分析计算模型如图1所示。将叶片三维模型导入CFD分析软件，在CFD软件中完成叶轮的装配，并建立流体分析静止域和旋转域。
2MW风电机组叶片气动性能计算方法的研究_刘勋
新能源专题 2009年第8期 68 2MW 风电机组叶片气动性能计算方法的研究 刘 勋 鲁庆华 訾宏达 孙伟军 （北京北重汽轮电机有限责任公司，北京 100040） 摘要 本文以某2MW 风电机组的叶片为实例，总结出一套工程上实用的叶片气动性能分析的方法。使用XFOIL 和Fluent 软件，对叶片不同截面的翼型计算了小攻角范围内的气动性能，并对两种计算结果进行对比分析；在翼型小攻角气动性能的基础上，利用Viterna-Corrigan 修正将翼型的气动性能扩展到±180°全攻角范围。使用这些全攻角翼型气动性能数据，在Bladed 软件中建立风电机组的叶片模型，分析计算该叶片的气动性能、整机功率曲线等性能。通过最终计算结果与原设计值对比，表明采用该方法分析风电机组叶片的气动性能是可行的。 关键词：风力发电机；叶片；气动性能 The Research of Aerodynamics Performance Calculation Method of 2MW Horizontal Wind Turbine Blades Liu Xun Lu Qinghua Zi Hongda Sun Weijun （Beijing Beizhong Steam Turbine Generator Co., Ltd, Beijing 100040） Abstract A suit of aerodynamics performance analyses method in the practical engineering calculation is obtained by research the blade of a 2MW horizontal axis wind turbine. With the software of XFOIL and Fluent, the aerodynamic performances of airfoil in the small angle of attack arrange are calculated in the different radial location. The XFOIL and Fluent calculation results are compared. On the base of the small angle of attack arrange, using the Viterna-Corrigan post stall modified, the aerodynamic performances of the airfoil are extended from -180°to +180°angle of attack range. With the XFOIL calculation data of all angle of attack range, the blade models of this wind turbine are founded in the software of bladed. The simulation results of the blade root load and the power curve of aerodynamic performance on the wind turbine are obtained. The Comparison between simulation results and original design shows the aerodynamics performance analyses method is viable. Key words ：wind turbine ；blade ；aerodynamics performance 1 引言 风能是一种清洁、用之不竭的能源。风能不仅储量丰富，而且分布广泛。2006年国家气候中心对我国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面10m 高度层风能资源技术可开发量为25.48 亿kW [1] 。此外，风能的开发相较与其他新能源也更为容易。因此，近年来，风力发电得到了国家、社会、各投资研发机构的高度关注，而风电产业也进入了高速发展的时期。 风力发电机组通过叶片吸收风能，将其转化为传动链的机械能。风机叶片的设计是兆瓦级大型风电机组的最为重要的关键技术之一。而叶片气动性能计算是风机叶片及风电机组设计和校核中的重要环节。目前比较成熟叶片气动分析方法是基于叶素动量理论（BEM ），并针对风机叶片特点在该理论 上作了相应的经验修正。而Bladed 软件正是以该方 法为基础开发的风机性能计算商用软件，已广泛用于风机叶片及风机机组的设计、认证。 通过这些方法及软件作风机叶片的气动性能分析，都需要获得叶片所用翼型的气动特性曲线，如 升力、阻力系数曲线等。通常，各类翼型的这些气动特性都是在风洞中实验获得，其实验过程需要专业的设备，且周期长费用高。此外，风机专用低速翼型，如DU 系列、FFA-W 系列、Ris?-A1系列， 其气动特性通常是不公开的。 本文以某2MW 变速变桨风电机组为实例，通过数值模拟的方法得到该机组叶片所用翼型的气动特性曲线，弥补了实验方法的不足。在此计算结果的基础上，通过Bladed 软件建模分析，获得该风电
风电叶片设计流程
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 .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。
2.1 IEC61400-1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 b和弯矩M Jb以及与变浆距力矩平衡的叶片俯仰力矩M b。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。 1.风力机气动弹性模型 1)结构模型
风力发电机叶片的维护讲解
酒泉职业技术学院 毕业设计（论文） 11 级风能与动力技术专业 题目：风力机叶片的故障分析及维护 毕业时间：二O一四年六月 学生姓名：王立伟 指导教师：甄亮 班级：风能与动力技术（1）班 2013年11月2日
酒泉职业技术学院届各专业毕业论文（设计）成绩评定表
目录 摘要 (3) 一、风机叶片简介 (3) 二、维护叶片的目的 (3) 三、叶片产生问题的原因及故障分析 (4) （一）叶片产生问题的原因类型 (4) (二)风机叶片的常见损坏类型及诊断方法 (9) 四、叶片的维护 (13) （一）叶片裂纹维护 (13) (二)叶片砂眼形成与维护 (13) (三)叶尖的维护 (13) 总结 (14) 参考文献 (15) 致谢 (16)
风力机叶片的故障分析及维护 摘要：叶片是风力发电机将风能转化为机械能的重要部件之一,是获取较高风能利用系数和经济效益的基础，叶片状态的好坏直接影响到整机的性能和发电效率，应该引起风电企业的高度重视。风机多是安装在环境恶劣、海拔高、气候复杂的地区，而叶片又恰恰是工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，其故障率在整机中约占三分之一以上。定期检查，早期发现，尽快采取措施，把问题解决在萌芽状态是避免事故、减少风险、稳定电场收益的最有效方式。。 关键词：叶片；故障分析；维护 一、风机叶片简介 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。 二、维护叶片的目的 风机叶片是风电机组关键部件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片, 春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。据统计，风电场的事故多发期多是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的三分之一，叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护还没有引起充分认识，投入严重不足，风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的送电和经济效益。根据对风电场的调查和有关数据分析，并参阅了许多国外风电场维护的成功经验，我们对风电场的日常维护的必要性有
风力发电机叶片设计
风力发电机叶片的设计 经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难，并且其日污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。 自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成本更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。一、叶片设计的意义 在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。 叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求，通过系统的启动设计和结构设计，实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形，实现年发电量最大的目标；结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基
风力发电机叶片气动外形设计方法概述
0 引 言 风力发电是风能利用的主要方式，叶片是用来转换风能的关键部件。风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率，因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能，是风力发电机设计着重考虑的部件之一。 Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论是叶片设计的基础理论，现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。到目前为止，Glauert理论和动量—叶素理论仍在广泛的使用。分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程，实现对叶片弦长和来流角的求解，并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。 1 理论方法介绍 1.1 Glauert理论 G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a 和切向诱导因子b )；但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风轮的效率 影响较大。[4] 由一系列的推导知道[1]，对于在给定半径r 处的尖速比 ，当 时，即 时，P C 有最大值。令 （1）式中： —中间变量 在等式两边同除以 ，得 （2） 风力发电机叶片气动外形设计方法概述 贾娇1 田 德※1，2 王海宽1 李文慧1 谢园奇2 （1.内蒙古农业大学机电工程学院 2.华北电力大学可再生能源学院） 摘 要：该文介绍了目前风力发电机叶片的主要设计理论——Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理 论。运用以上三种理论，使用c#语言编程分别计算了1000W叶片的弦长和来流角，并对计算出的结 果进行了比较和分析。从设计的结果可以得到，用动量—叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert 理论和Schmitz理论设计出来的弦长和来流角更小。但是用以上三种理论设计出来的弦长和来流角在 叶根处都偏大。 关键词：风力发电机；叶片；气动外形设计 而 ，则 即 ，由此可得： （3）将上式代入（1），便可求得a 值。 根据 便可求得b ，进而可求出如图1所示给定半径处的来流角 （a）速度 （b）作用力 (4) 便可求出 （5） 1.2 Schmitz理论 很多基本理论是在风力发电机假设叶片无限长的情况下建立的，对于有限长度的叶片当风轮旋转时，升力翼的下表面压力大于大气压力，上表面压力小于大气压 图1 翼型在气流中的运动分析及受力分析 p C
风力发电机叶片工艺流程
风力发电机叶片制作工艺流程 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。 2）提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。 4）可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。 5）可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW?h)，价格可和燃料发电相比。 6）利用导电性能避免雷击
叶片的基本知识
风能的基本知识 ?风能是空气流动的动能，能量密度低，是水的1/814，风能与风速的立方成正比，风速增加一倍，风能增加八倍。 ? 1.风电机组主要参数—风轮直径 ?风轮直径（或风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分。 ?风轮直径（或风轮扫掠面积）说明机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是机组能力的基本标志。 ?风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本。 风电机组主要参数—额定功率 ?额定功率是与机组配套的发电机铭牌功率。 ?其定义是“正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率”。 ?许多产品在标准型以外还提供与标准型机组额定功率相同的机组，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径风轮供高风速区选用。 2.功率曲线图 ?功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率，功率曲线主要分为上升和恒定两部分。 ?切入风速：机组开始向电网输出功率时的风速称为，随着风速的增大，功率上升，大约与风速的立方成正比。 ?额定风速：达到额定功率值时的风速称为，此后风速再增加，由于风轮的调节，功率保持不变。
?切出风速：允许机组正常运行的最大风速。，机组运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。 风频曲线 3.风电机组发电量估算 ?功率曲线上有每个风速段对应的输出功率。 ?风频分布图上有每个风速段对应的年出现小时数（或百分比） ?每个风速段的功率（kW）和年出现小时数（h）的乘积（kW?h ）是该风速段的年理论发电量。 ?各风速段的年理论发电量累加后，再乘以各种损失系数（合计结果约70-80%），得到该机组估算年发电量。 4.风力发电的特点 ?风电机输出在达到额定功率之前，功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍输出功率增加8倍，所以风力发电的效益与当地的风速关系极大。 ?由于风速随时在变化，风电机常年在野外运行，承受十分复杂恶劣的交变载荷，设备的机体庞大，风轮直径和塔架高度都达到50m至120m，在野外运行环境恶劣，设计和制造比较困难。目前风电机组的设计寿命是20年，要求经受住60m/s的11级暴风袭击，代表机组可靠性的可利用率要达到0.95以上。
风电机组结构及其选型
第一节风电机组结构 1．外部条件 根据最大抗风能力和工作环境的恶劣程度，按强度变化的程度对风电机组进行分级。根据IEC61400设计标准，共分为4级。 一类风场I：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s，50年一遇极限风速为70m/s，一年一遇极限风速为52.5m/s； 二类风场II：参考风速为42.5m/s，年平均风速为8.5m/s，50年一遇极限风速为59.5m/s，一年一遇极限风速为44.6m/s； 三类风场III：参考风速为37.5m/s，年平均风速为7.5m/s，50年一遇极限风速为52.5m/s，一年一遇极限风速为39.4m/s； 四类风场IV：低于三类风场风速，属低风速区，鲜有商业风电场开发。 对电网的要求：电压波动为额定值±10%，频率波动为额定值±5%。2．机械结构
2.1总体描述 整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固底法兰组成，风电机组所有的主要部件都连接于其上。 发电机固定位置与机舱轴线偏离,以使得风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。 偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，整个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。 机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。产品生产采用多种工艺，包括：滚涂、轻质RTM、真空灌注等，机舱罩主体部分设置PVC泡沫夹层，以增加强度。内层设置消音海绵，以降
低主机噪声。 机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10℃以上的温度。 2.2载荷情况 - 启动：从任一静止位置或空转状态到发电过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 发电：风电机组处于运行状态，有电负荷。 - 正常关机：从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间，对风电机组产生的载荷。- 紧急关机：突发事件（如故障、电网波动等），引起的停机。 - 停机：停机后的风电机组叶轮处于静止状态，采用极端风况对其进行设计。 - 运输/安装/维护：整体装配结构便于运输，安装、维护易于实施。 2.3叶片 叶片根部是一个法兰，与回转轴承连接，实现变桨过程。叶尖配有防雷电系统。 2.4变桨轴承/机构 目前，国际上常见的有两种类型，一种是液压驱动联杆机构，推动轴承，实现变桨；一种是电机经减速驱动轴承，实现变桨；由于高
风电基本知识总结
——莫西整理于2014/10/28 1. 【发展】 2006年风电轴承主要依赖进口。 2010年国产轴承逐渐规模化，偏航轴承和变桨轴承价格大幅度降低。 主轴轴承和增速器轴承技术含量高，国内在研发阶段 2015年风电超核电成为第三大主力电源 2. 【分类】 风电轴承大致分为偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承（主轴和变速箱轴承）、发动机轴承 每台发动机主要包含偏航轴承*1、变桨轴承*3、主轴轴承*2、变速箱轴承*15、发动机轴承*2 根据抗风能力和工作环境对风电机组进行分级（IEC61400标准）
叶片：叶片根部是一个法兰，与回转轴承连接，实现变桨过程。 【变桨轴承】：1）液压驱动 2）电机经减速驱动 电信号传递易实现，所以大部分容易采用电机驱动。 轴承+驱动装置（电机+减速器）蓄电池+逆变器，变桨速度16°/S 【轮毂】 轮毂为球铁件，安装与主轴上，用于特定风场调整叶片初始安装角度。 3. 【变桨系统的作用】 变桨系统的作用是当风速过高或过低时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持稳定 【偏航系统的作用】 1）使风轮跟踪变化稳定的风向
2）当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解缆 4. 【研讨】 ①风电齿轮输入轴转速在10-20转/分钟，导致支撑轴承的油膜难以形成， 油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面，避免金属与金属直接发生接触。 电机轴承故障原因多为轴承润滑不足造成磨损、螺栓松动引起轴承移位、安装不当引起轴承变形。 ②偏航和变桨轴承要承受很大的倾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙尘、水雾、冰冻等污染侵害，因此，要进行满足整个使用寿命期的表面防腐处理。同样重要的还有防止轴承内部润滑脂泄漏、外界杂质侵入的密封技术。 ③偏航和变桨轴承要承受不定风力所产生的冲击载荷，具有间歇工作，启停较为频繁，传递扭矩较大，传动比高的特点。因此，偏航轴承要求小游隙；变桨轴承与偏航轴承相比，由于承受的冲击载荷更大，由叶片传递的振动也大，所以要求为零游隙或小负游隙，以减小滚动工作面的微动磨损。 ④偏航和变桨轴承不完全旋转的特点使得轴承的内、外圈在很小的角度范围内摆动，因此其滚动体不是沿整个滚道滚动，而是摇动，即只移动很小的距离，一直是同一部分的滚动体受载荷的作用。
风力发电基础知识汇总
风力发电 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， 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。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵） 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同） 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 一般说来，三级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒6米时，只有16千瓦；而风速每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。 在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。 我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，根据《风能世界》杂志发布，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15% 风力发电的输出
风力发电机设计与制造课程设计
风力发电机设计与制造 课程设计 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
一．总体参数设计总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1.额定功率、设计寿命 =；一般风力机组设计寿命至少为20根据《设计任务书》选定额定功率P r 年，这里选20年设计寿命。 2.切出风速、切入风速、额定风速 = 3m/s 切入风速取 V in 切出风速取 V = 25m/s out = 12m/s（对于一般变桨距风力发电机组（选）的额定风速与平额定风速 V r ==×≈12m/s） 均风速之比为左右,V r 3.重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： 其中： ——风力发电机组额定输出功率，取； P r ——空气密度（一般取标准大气状态），取m3； ——额定风速，取12m/s； V r D——风轮直径； η——传动系统效率，取； 1 η——发电机效率，取； 2 η——变流器效率，取； 3
C p ——额定功率下风能利用系数,取。 由直径计算可得扫掠面积： 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822 m 4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 1η——传动系统效率，取； 2η——发电机效率，取； 3η——变流器效率，取； ——空气密度（一般取标准大气状态），取m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； C p ——额定功率下风能利用系数,取。 由以上公式，使用excel 计算出不同风速对应的功率值,见表1
风力发电课程设计 风力机叶片设计
课程设计 设计题目：风力发电技术课程设计 课程设计要求 一、课程设计的目的和意义 通过课程设计使学生能综合运用所学基础理论、基本技能和专业知识，联系生产及科研实际完成某一课程设计题目。培养学生分析和解决工程问题的能力以及一定的科研、实践能力；培养学生严谨、求实的治学方法和刻苦钻研、勇于探索的精神；培养学生的业务素质、创新意识和团队精神等。课程设计过程中，深化有关理论知识，扩大知识面，获得阅读文献、调查研究、总结提炼以及使用工具书和写作等方面的综合训练。通过课程设计工作可以有效地检验“教”、“学”质量。 二、课程设计对学生的要求 1. 指导教师指导下，学生在规定时间内正确、相对独立地完成一项给定任务的全过程，包括资料收集、调研、方案比较、数据采集与处理、计算与结果分析、总结提炼观点、得出结论、绘制有关图表、编写设计报告、说明讲解与回答问题、课程设计考核等。严禁以任何方式抄袭他人成果或网上相关文章，也不能请他人代替完成设计，一经发现，课程设计成绩按不及格处理。 2. 根据设计任务书要求，学生在设计开始较短时间内(1-2天)应掌握所进行课程设计的内容，包括：资料收集与准备、设计任务与思路、工作任务分解、各阶段任务的时间分配、
暂时存在的问题等。 3. 设计过程中，学生应主动向指导教师汇报工作进度和遇到的疑难问题，争取指导教师的指导和监督。指导教师会随时进行指导，并抽查学生的设计进展情况。 4. 学生应严格遵守纪律。按指导教师要求，在规定时间、固定教室内进行设计，如有特殊情况，应及时告知指导教师，严格请假制度。 5. 设计考核前学生需提交课程设计报告，设计报告应按照相关规范进行撰写，并按指导教师要求整理、修改，及时上交。晚交设计报告，成绩降档处理；不交设计报告，按不及格处理。 6. 属下列情况之一者，不予考核并取消设计成绩： (1)没有保证设计时间，缺席时间三分之一以上者或未完成规定任务的最低限度要求； (2)剽窃他人设计结果或直接照抄他人设计报告； (3)设计结果存在较大错误，经指导教师指出而未修改； (4)设计结果在书写或其他方面未满足规定的最低要求。 三、课程设计考核 1.课程设计的过程考核 (1) 学生是否按设计任务书所提出的要求与时间，完成各阶段所规定的任务。 (2) 设计完成的质量和完成过程中所表现的创造性和学习态度，包括出勤情况等。 (3) 学生是否较好掌握设计所涉及的基础理论、基本技能和专业知识等。 (4) 设计报告思路是否清晰，文字、公式及图表等是否符合规范，报告上交是否及时等。 (5) 必要时学生需上交课程设计草稿，设计结束当天进行答辩或笔试考核等。 2.课程设计的成绩评定 课程设计成绩评定采用优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制记分，成绩包括平时答疑成绩、设计说明书成绩和答辩成绩三部分，其中平时答疑占20分，设计说明书成绩占40分，答辩成绩占40分。