3MW海上风力机叶片的三维建模及模态分析 (1)
风力发电机叶片三维模型重构及气动特性分析
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中图分 类号 ： Ｔ Ｋ ８ ３
文 献标 志码 ： Ａ
文章 编号 ： １ ０ ０ ２ — ２ ３ ３ ３ （ ２ ０ １ ４） ０ １ — ０ ０ ２ ５ — ０ ３
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风机叶片三维绕流场数值模拟.
第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会并周培源教授诞辰110周年纪念大会文集风机叶片三维绕流场数值模拟周胡，王强，万德成*(海洋工程国家重点实验室，船舶海洋与建筑工程学院，上海交通大学，上海,200240,*通信作者：dcwan@ )摘要：本研究利用基于开源代码OpenFOAM所开发的两个求解器，对美国国家可再生能源实验室开发的Phase VI风机叶片的三维黏性绕流场进行数值模拟。
这两个求解器分别是基于任意网络界面元法(Arbitrary Mesh Interface, AMI)的瞬态求解器pimpleDyMFoam和基于多参考系(Multi Reference Frames,MRF)稳态求解器MRFSimpleFoam。
利用这两个求解器分别对相同桨距角、不同风速下三维风机叶片的复杂流场进行了数值模拟，计算得到叶片表面压力分布，叶片的推力、转矩、尾涡等气动力数据。
这两种求解器的计算结果与实验结果进行对比分析，证明采用这两种求解器数值模拟三维风机叶片复杂粘性流场是有效和可靠的。
关键词：风机叶片；三维黏性流场；AMI；MRF ；OpenFOAM1引言风能是清洁、无污染的可再生能源之一，得益于机翼设计理论，材料技术、电力供应、叶片加工制造等技术发展，风力发电技术日益成熟，在可再生能源中成本相对较低，应用前景广阔。
随着海上风能的迅速发展，风能的利用再一次吸引了全球学术界和工业界的目光。
国外关于风机叶片三维数值模拟的起步较早，也取得了一些重要的成果。
例如Hansen等1998年在附着在叶片上的旋转坐标系上建立计算模型，基于压力修正方法求解了不可压RANS （Reynolds Averaged Navier-Stokes）方程[1]，这是首次对完整的转子叶片的全NS数值模拟；Yuwei Li等利用动态重叠网格技术（Overset grid technology），使用CFDShip-lowa v4.5通用程序分别求解RANS方程的方法和大涡模拟的方法(DES, Detached Eddy Simulation)方法模拟了多种工况下的风机的气动力行为[2]；Zahle等使用基于结构化网格不可压有限体积法的EllipSys3D求解器模拟了风机转子和塔架相互作用，成功捕捉了叶片和塔架伴流的非定常相互作用，研究了塔影效应对风机气动力特性的影响[3]。
风力机叶片三维模型颤振问题
２ ． 德 国Ｆ ｏ ｒ Ｗｉ ｎ ｄ 风 能研 究 中心， 奥 登堡 ２ ６ １ ２ ９ ，德 国 ）
摘 要： 颤振 对风力机 叶片有 巨大破坏 力， 作为一种典型的气动弹性稳定性问题， 在现代风力机的叶片设计中越来 越受到重视 。建立叶片三维 叶型模型和整机振动结构模 型， 利用振型叠加法计算不 同振动模态下 的特征频率 、 阻尼 比 和振型 ， 得 出不 同叶 片结构参 数与颤振 的关 系。结果表 明， 叶片型面质心和扭 转中心的距离 、 拍打方 向弯 曲刚度 和挥
９ ０
风 力机 叶片三 维模 型颤振 问题
２ ０ １ ３ 年ｌ Ｏ 月
文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ ． １ ３ ５ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ ． ０ ０ ９ ０ — ０ ７
风 力机 叶 片三 维 模 型颤 振 问题
王 伟 ，廖 明夫 ，Ｍａ ｒ ｔ ｉ ｎ Ｋ ｉ ｆ ｈ ｎ
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ Ｆ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ 饧ｄ Ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｂｌ ａ ｄ ｅ ｓ
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风力机叶片立体图的计算机设计绘制
□ 广西大学机械工程学院 陈家权 杨新彦
本文的作者按 照叶片设计的实际过 程，在根据涡流理论 设计叶片参数的基础 上，提出了一种能在 计算机上立体显示叶 片截面及结构的设计 方法，即用基于点的 坐标的几何变换理论 求解叶片各截面在空 间实际位置的三维坐 标，基于三维几何建 模理论，完成了对叶 片的实体建模。
针对上述情况，笔者找到了一 种能够提高叶片CAD质量的叶片计 算机3D绘图方法：首先获取各截面 叶素数据，计算弦长和扭角等主要 参数，然后基于点的坐标的几何变 换求出叶片各截面在空间实际位置 的三维坐标，最后基于3D建模理论 完成叶片计算机3D绘图。
一、风力机叶片的具体 设计方法
1.叶片翼型的选择 现代风力机通常是采用三叶片 的上风或下风结构。风力机叶展形 状、翼型形状与风力发电机的空气 动力特性密切相关。一台好的风力 机应当尽量增加升力并减小阻力， 使 CL / CD 尽量趋于最大值，以增 加风力机的风能利用系数。 叶片通常由翼型系列组成。 由于叶片根部各翼型力臂较小，对 风力机风轮输出扭矩的贡献不大， 所以叶片根部对风力机性能影响较 小，设计时应主要考虑加工方便和 强度问题。应在尖部采用薄翼型以 满足高升阻比的要求；在根部采用 相同翼型或较大升力系数翼型的 较厚形式，以满足结构强度的需 要。典型运行工况下的雷诺数范 围是5×105~2×106。常用的翼型 有NACA44xx系列、NACA644xx系列 和NACA230xx系列等航空翼型；专 用翼型有美国的SERI翼型系列以及 NREL翼型系列、丹麦的RISφ-A系 列翼型和瑞典的FFA-w系列翼型 等，设计时应根据不同的设计需要 选取不同的翼型。翼型数据及其气 动性可参考Profili软件、中国气动 力研究与发展中心的文献等。 2.叶片的弦长和扭角计算 应用涡流理论设计风轮叶片， 把叶片分成若干叶素，分别对各叶 素在最佳运行状态下进行空气动力 学计算。
兆瓦级风力机叶片外形设计及其三维建模
计 攻 角和升 力 系数 沿 叶 片展 向 呈 非 线 性 分 布 的 情
况， 对 传 统 Ｗ Ⅲｓ ｏ ｎ设 计 方 法 进 行 修 正 ， 优 化 设 计 叶
片的 气动外 形 。并结 合优 化得 出的叶 片几何 外形 参
数， 运 用点 的 坐标 转 换 理 论 来 计 算 叶 片各 截 面翼 型
ＣＡ Ｔ Ｉ Ａ
片数 为 ３ ； 设 计 尖 速 比 为 ９ ． ５ ； 额 定功率 为 １ ． ５
Ｍ Ｗ 。
中图分 类号 ： Ｔ Ｋ８ １ ； ＴＰ ３ ０ ２ ． ４
文 献标 识码
文 章编 号 ： １ ０ ０ １—２ ２ ５ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ —０ ０ ７ ５ —０ ３
的 空 间 实 际 坐标 。利 用 Ｃ ＡＴ Ｉ Ａ 软 件 完 成 叶 片 的 三 维建模 。
１ 风 力机 叶 片 气动 外 形优 化 设 计
１ ． １ 风轮 的 基本设 计参 数 风力 机风 轮 的基 本 参 数 ： 风 轮直 径 为 ８ ０ ｍ； 叶
关 键词 ： 风力 机 叶片 ； 气动 外形 优化 ； 三 维建 模 ；
翼型， 叶尖部 翼 型 相 对 厚 度 为 １ ６ ， 叶 片 中部 翼 型
相对 厚 度 为 ２ ５ ， 最 大 弦 长 处 翼 型 相 对 厚 度 为 ４ Ｏ ， 根 部采 用 圆形 。
Ｃ ＡＴ Ｉ Ａ
翼 型 的选 择对 于风 力 机效 率 十 分重 要 ， 翼 型 的
选 取 应尽 量使 升 阻 比趋 于 最 大 ， 从 而提 高 风 力 机 的 效率 ， 而根 部则 采用 相对 厚度 较大 的翼 型 ， 以保 证 大
型 叶片 的结 构 强 度 。设 计 采 用 ＮＡＣ Ａ６ ３系 列 航 空
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究胡国玉;孙文磊;曹莉【摘要】Based on computational fluid dynamics (CFD) method,this paper simulated the aerodynamic characteristics of NREL Phase VI wind turbine.Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence models are used in the simulations,and extensive comparisons with experimental data are performed.By the comparison for power,thrust and sectional force coefficients of NREL Phase Ⅵ wind turbine between CFD and NREL,the results at constant pitch and variable wind speed show that the CFD predictions match the experimental data consistently well at low wind speed.At high wind speed,there is a little difference due to the effects of flow separation.The simulation results reveal the unsteady aerodynamic characteristics of wind turbine blade with three-dimensional rotational effect.%文章基于CFD方法对NREL Phase VI风机的气动特性进行了数值模拟.根据NREL定桨变速的实验工况,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),基于k-ω SST湍流模型分析了不同风速工况下的风机叶片流场特性,得到了气流沿叶片展向的流动分布.通过与NREL NASA-Ames风洞实验数据的对比,在低风速时采用CFD仿真的计算结果与实验结果更为吻合;在失速区域,由于气流分离的影响,CFD仿真的计算结果与实验结果对比差异较明显.CFD仿真大体上能够较好地预测实验风机的性能,分析动态失速现象发生的原因,揭示叶片在三维旋转效应下的非定常气动特性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)006【总页数】5页(P867-871)【关键词】风力发电机;三维旋转效应;非定常气动特性;动态失速;分离流【作者】胡国玉;孙文磊;曹莉【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK83一般情况下，风力机的气动设计和载荷分析是采用稳态叶素-动量理论BEM[1]（Blade Element Momentum，BEM）进行计算的，但是由于基于二维翼型数据的BEM方法没有考虑到三维旋转效应，导致其计算值偏低。
基于SolidWorks的风力机叶片三维建模及模拟分析
基于SolidWorks的风力机叶片三维建模及模拟分析张仁亮;张俊彦;孙勤【摘要】The wind turbine blades are important components of wind turbine generator system, the analysis and study of which is vital important. The following paper obtains the optimized geometric parameters through using air dynamics calculation method of Glauert vortex theory. With a powerful 3-D modeling capability of SolidWorks software, the three-dimensional shaping of the airfoil blades is realized fast and accurately. Through the flow simulation modules in SolidWorks software simulate the different airfoil blades, and then analyze and compare their results.%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.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.【期刊名称】《湘潭大学自然科学学报》【年(卷),期】2012(034)003【总页数】5页(P38-42)【关键词】翼型;弦长;安装角;流动模拟分析【作者】张仁亮;张俊彦;孙勤【作者单位】湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭 411105;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭 411105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TP31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.导致石油、煤等不可再生资源随之急剧减少和环境污染的日益加剧；利用可再生资源，改善能源结构，减少环境污染，已经成为全球能源工业关注的一个热点问题.风能是一种绿色、无污染的可再生能源，且风能的储量十分丰富，取之不尽，用之不竭.目前，世界各国正加快对风力发电机组的研究步伐，同时不断推出新的技术设备[1].风机叶片是风力发电机组的核心部件之一，叶片的材料、翼型的设计以及叶片的结构形式直接影响风力发电装置的性能和效率[2].风机发电机叶片气动设计理论是在机翼气动理论基础上发展而来的.经典的叶片设计理论有贝茨理论、简化风轮理论、动量理论、Wilson气动设计理论和Glauert环动量理论等[3].在我国，风机翼型的研究一直停留在普通航空翼型阶段，对于新型翼型的研究很少.由于风力机专用新型翼型几何参数和气动性能参数的缺乏[4]，直接抑制了我国大型风力发电机气动设计的发展.风机叶片快速实现三维模型并对其在空气中进行模拟仿真，对叶片翼型的几何参数和气动特性参数的研究具有重要的现实意义.本文利用SolidWorks 软件对叶片快速实现三维造型，并利用Flow Simulation模块直接进行模拟分析.1 叶片几何参数设计1.1 翼型的选取及气动参数翼型数据及其气动性可参考UIUC（伊利诺伊大学）风机坐标数据库、Profili软件以及中国气动力研究与发展中心的文献等.根据不同的设计需要选取翼型.一般现在高速风轮都采用流线型叶片，其翼型通常从 NACA和 Gottingen系列中选取（NACA4412，4415，23012，23018，Gottingen623，624等）[5].这些翼型的特点是阻力小，空气动力效率高.本文选取翼型naca0015、naca4412和naca-66.气动参数包括升力系数、阻力系数、力矩系数、翼型的焦点和攻角等.根据本文的需要，只考虑翼型的升力系数Cl和攻角α，根据薄翼型理论[7]翼型相对厚度较小时，升力线系数与翼型无关，升力线斜率为由（1）式可得：1.2 叶片长度、叶片数和尖速比的确定叶片长度d计算的相关参数有：风机有效功率N，风力机功率换算系数K，空气高度密度系数C1，空气湿度密度系数C2，风力发电机初估全效率μ，风速v.一般低速风轮尖速比取小值；高速风轮取大值.而风力机的叶片数目b与风力机的用途相关，并与尖速比有一定的匹配[6].1.3 最大弦长和安装角叶片旋转半径ri位置的尖速比：式中：λ0为叶片尖端的尖速比；R为叶片的旋转半径（m）.叶片旋转半径ri的剖面翼型弦长Li：式中：Q为叶片的形状参数.由葛劳渥漩涡理论可得出：由（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）式可求出：利用Mathematics数学软件快速计算出｛Lmax，｛ri，0，R｝｝.以及所需要素面的旋转半径ri和弦长Li.安装角的计算：2 SolidWorks三维造型本文以4kW风力发电机为例，利用SolidWorks软件快速实现叶片的三维造型.已知参数有：α＝10°、K ＝0.612 7、C1 ＝0.756、C2 ＝1.000、μ＝40%、v＝6m/s、λ0 ＝6，b＝3，由此我们可以推算出我们所需要的叶片几何参数.Cl＝2πsin10°≈1.1；d≈5.6m；Lmax＝0.986 7m以及当Li取最大值时ri＝0.7m 和安装角β1＝25°；r＝5.6m时，L＝0.258 2m，β2＝ -2.69°以及当r＝0.1m时叶素面弦长和安装角（根据计算公式，当r＝0m时，弦长也为零；所以我们取r 接近零的值去取代）.由于从Profili软件导出的翼型DXF文件，其翼型弦长为L0；而实际叶素面的弦长为L.所以在三维造型前，首先要得到相应的缩放比例因子ψ＝L/L0.2.1 基准面的创建以前视基准面为参考，创建两个平行的基准面且偏移前视基准面距离分别为r＝700mm，r＝5 600mm.2.2 DXF文件的导入从Profili软件导出翼型naca0015、naca4412和naca-66的DXF文件.通过SolidWorks输入DXF/DWG文件功能，插入到新建的第一基准面上，并定义翼型的焦点（在翼型弦长距离前缘的1/4处）[7]为草图的原点，绕原点的旋转角度为β＝25°.然后利用移动实体中的缩放实体功能，以原点为缩放点，比例因子为ψ＝Lmax/L0＝11.6.点击退出草图完成DXF文件的导入.同样的方法在前视基准面和第二基准面上导入DXF文件.2.3 三维模型的实现通过SolidWorks特征中的放样功能指令，先以草图1和草图2为轮廓进行放样；再以草图2和草图3为轮廓进行放样，即可实现叶片的三维模型造型.3 Flow SimulationSolidWorks Flow Simulation是一款使用方便的仿真软件，它可以实现全三维的流动和热分析，它可以做的仿真包括：多组分气体、可压缩和不可压缩流体、内部和外部流动、非牛顿流体以及优化-参数分析等.Flow Simulation一般的求解步骤包括：模型的处理、设置向导、工程材料的定义、边界条件的定义、工程目标的定义和求解导出结果.（1）叶轮的装配体模型在新建好的叶片模型中加上叶柄和转轴装配成为叶轮模型，从而简单的模拟真实叶片在塔架上的状态.叶轮模型如图3所示.（2）模拟分析风力机叶轮是在气流的作用下运转的，在复杂的气流环境下，对叶片旋转叶轮模拟仿真，研究气流对叶轮作用；对叶片的优化设计及气动特性研究是十分重要的. Flow Simulation分析步骤如下：（1）直接点击SolidWorks软件里的Flow Simulation模块，打开装配体叶轮.（2）创建b项目.在设置向导中，选择系统单位（SI），定义分析类型（External），流体类型（air）以及仿真结果精度的设置.（3）边界条件.（4）定义工程目标.X轴方向的扭矩（X-Component of Torque）、叶片表面静压（Av Static Pressure）、速度矢量以及叶轮各面的特征参数等.（5）运行网格划分及求解.根据仿真结果精度的设置，选着不同的方式.（6）载入结果及导出结果图表.（3）结果分析由图4可以看出，在相同的条件下（v＝10m/s），naca0015型和naca-66型风轮叶片上表面（风向面）的静压分布基本一致，中间静压大，前后缘逐渐减少；而naca4412型叶片上表面静压基本保持不变.而且naca-66型叶片上表面静压大于naca0015型和naca4412型.由动量定理可知，气流经过风轮动量变化是完全由气流流过叶轮的压力差引起的，是推动风轮旋转的动力；表面静压差越大，表明风能的利用越高；是衡量叶片性能的重要参数.所以，从图4可以得出，对于功率为4kW的风力发电机叶片，在相同的工况下，naca-66型叶轮比其他两种翼型能够更好的利用风能.表1～表3中可以得到三种翼型风轮在气流速度为10m/s的情况下，气流对叶轮X、Y、Z轴的扭矩，剪应力，静压，动压等.通过对这些数据的比较分析发现：在三种风轮中，naca-66型叶轮轴向扭矩（X轴）最大，而其他参数三种叶轮基本相差不多.轴向扭矩致使叶轮旋转，扭矩越大表明叶片捕获风能的能力越强.表1 naca0015叶轮受力分析Tab.1 Force analysis of thenaca0015impeller014 425 2 Y 轴方向扭矩N·m 5.839 187 995 -0.399 477735-7.318 313 02 8.336 062 937 Z轴方向扭矩N·m 24.618 160 785 22.273 497 16 17.023 961 87 29.266 935 61剪应力 N 0.861 756 358 3 0.862 123 822 0.852 614 172 0.874 011 526静压 Pa 101 325.003 99 101 325.003 5101 325.002 9 101 325.004 1动压 Pa 60.086 248 866 60.086 650 37 60.085 862 52 60.目标名称单位收敛值平均值最小值最大值X 轴方向扭矩N·m 590.880 310 08 590.729 203 1 588.953 842 9 593.087 458 32表2 naca4412叶轮受力分析Tab.2 Force analysis of thenaca4412impeller693 108 6 Y 轴方向扭矩N·m-9.416 289 051 3-9.216 818 484-12.958 713 0 -6.437 833 60 Z轴方向扭矩N·m-2.923 179 202 5-2.952 883 961-4.950 942 64 -1.068 540 35剪应力 N 0.766 939 505 1 0.768 578 540 0.764 981 980 0.772 467 670静压 Pa 101 325.003 6 101 325.003 6 101 325.003 3 101 325.004 0动压 Pa 60.119 554 489 60.119 421 901 60.118 942 49 60目标名称单位收敛值平均值最小值最大值X 轴方向扭矩N·m 327.887 922 56 328.562 253 1 327.216 444 8 329..119 849 96表3 naca-66叶轮受力分析Tab.3 Force Analysis of the naca-66impeller.603 032 1 Y 轴方向扭矩N·m -11.492 908 86-8.730 665 980-15.547 040 0 -2.414 963 77 Z轴方向扭矩N·m 8.958 784 936 4 9.226 777 134 7.615 698 802 11.692 274 53剪应力 N 0.868 137 402 1 0.869 006 055 0.860 599 953 0.880 391 186静压 Pa 101 325.003 04 101 325.002 7 101 325.002 3 101 325.003 0动压 Pa 60.103 513 274 60.103 768 79 60.103 343 16 60.目标名称单位收敛值平均值最小值最大值X 轴方向扭矩N·m 622.333 459 82 622.966 111 78 621.104 548 1 624 104 250 154 结语（1）本文利用SolidWorks软件的DXF/DWG输入功能，从Profili翼型软件中直接导入翼型图形，然后通过放样实现三维建模.这种方法不但能真实地反应叶片的形状，而且减少了翼型截面的数量，缩短了建模时间，是一种快速、简便而且准确的叶片三维模型生成方法.为叶片的气动特性分析打下了基础.（2）通过SolidWorks Flow Simulation插件对不同翼型的风机叶轮在空气中进行流动模拟，比较分析叶轮的各种参数，选取最佳性能的翼型叶片.这种方法对风机叶片的设计和翼型的选择具有重要的实用价值.参考文献[1]全球风能协会（GWEC）.全球风能报告[R].比利时：全球风能协会，2010.[2]施鹏飞，译.风力机的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.[3]苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京：中国电力出版社，2002：192-203.[4]赵明安，李占龙.大型风力机叶片技术现状及发展趋势的研究[J].现代物业，2011（10）：19-20.[5]孙晓晶，陆启迪，黄典贵.升力型垂直轴风力机翼型的选择[J].工程热物理学报，2012，33（3）：408-410.[6]季采云，朱龙彪，朱志松.3MW海上风力机叶片的三维建模及模态分析[J].机械设计与制造，2011，6：192-194.[7]钱翼稷.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.。
翼型风力机叶片的设计与三维建模论文
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。
3MW风力机叶片设计建模与模态分析
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＥ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｅｅ ｎ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ，ｕ ｎ ｅ
摘
要： 叶片是风力机 的重要部件 ， 总结叶片设计流程 ， 选择合理设计参数 ， 设计 出 ３ Ｍ Ｗ 水平轴风 力机 叶片。因叶 片
为 一 易发 生振 动 的 细 长弹 性 体 ， 且 叶 尖 小翼 虽 可 增 加 风 力 机 的输 出功 率 ， 但 必 然 对 叶 片的 结 构 强 度 产 生 影 响 。 因此
对 叶 片进 行 重 力预 应 力模 态分 析 ， 确 定 叶 片 的 各 阶 模 态振 型 、 频率、 最 大 变形 量 及 最 大 应 力 ， 得 出 叶 尖 小翼 对 叶 片 模 态分 析 结 果 的 影 响 。
关键词 ： 风 力机 ； 叶片设计 ； 模态分析 ； 小翼 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ８ ９ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ － ４ ４ １ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ０ ０ ４ — ０ ４
研究与分析
２ ２ ５ 期 ）・ 机械 研 究 与 应 用 ・
３ ＭＷ 风 力机 叶片 设 计 建模 与模 态 分 析
武 玉龙 ， 李 春， 高 伟
２ ０ ０ ０ ９ ３ ） （ 上 海理 工 大 学 能 源 与动 力 工程 学 院 ，上 海
１ 前
言
计 的基本 步骤 为 ： ①确 定额定 风速及 风力 机 的额 定功
3 MW风力机叶片振动特性分析
3 MW风力机叶片振动特性分析单丽君;柳敬元【摘要】为防止叶片发生共振、减少叶片挠度、提高风力机发电效率以及风能利用率,文章建立了3 MW风力机叶片模型,分析了风力机叶片的固有频率.当激励频率为1.26 Hz时,叶片发生共振.以年发电量和风能利用率为目标函数,采用多目标遗传算法对3 MW风力机叶片进行优化设计.优化后的叶片发电功率提高了12％左右,风能利用率提高了18％左右;叶片的固有频率明显提高,挠度减少,解决了风力机叶片共振的问题.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)007【总页数】6页(P1067-1072)【关键词】风力机;叶片;模态;优化设计;遗传算法【作者】单丽君;柳敬元【作者单位】大连交通大学机械工程学院, 辽宁大连 116028;大连交通大学机械工程学院, 辽宁大连 116028【正文语种】中文【中图分类】TK830 前言风能是近年来发展最快的一种可再生能源。
风力发电的大规模发展，对于提高国家的社会效益和经济效益具有重要影响[1]。
目前国内的风力机研究主要集中在叶片的翼型设计、气动外形设计及结构设计。
阳雪兵[2]分析了叶片叶尖变形量与腹板厚度的关系，掌握了叶片关键部位的应力分布情况，获得了叶片低阶模态振动与固有频率，为叶片结构设计、强度校核及优化提供了数据基础。
随着风力机的大型化，叶片的半径越来越大，叶尖挠度随叶片半径的增加呈指数增长，叶片与塔柱碰撞的几率显著增加[3]。
叶片是一种细长的柔性结构，长期受到惯性载荷以及气动载荷的随机交替作用，这些载荷使叶片极易发生共振[4]。
优化设计主要以气动优化为主，一般有年发电量最大、额定风速下风能利用率最高或是风轮推力最小等目标。
但上述单目标优化通常无法满足叶片设计的本质要求，为平衡风力机大型化所带来的大负载与高发电量之间的矛盾，既要满足高气动性能要求，又要满足结构强度和重量等非气动要求[5]，[6]。
因此，大型风力机叶片设计必须采用多目标优化。
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读入翼型数据
二维坐标值转化 为三维坐标值
率越高。选取升阻比最大时对应的点为翼型 NACA4412 的设计 点。在该设计点处，攻角 α=6°，最大的升阻比 CL/CD=105.37，升力 系数 CL=1.0853，阻力系数 CD=0.0103。
风力机叶片的形状非常不规则，叶片从叶根到叶尖是由不 同弦长、不同扭角的叶素构成，而且各弦长和各扭角都不能用确
λ0—尖速比； α—攻角。 考虑到叶片根部对风力机风轮输出扭矩贡献不大，把叶片 径向的 0.2R~R 段等分为 20 段，即从 r=9.4m 处开始计算，每段长
结构的振动特性，即固有频率和振型。 采用多物理场有限元分析软件 Comsol Multiphysics 进行模
态分析，该软件能够与 SolidWorks 无缝连接，SolidWorks 的修改 会实时反应到 Comsol Multiphysics 中，无须数据格式转换和频繁
由于设计的叶片尺寸很大，海上装配难度较高，自重不宜过
大，因此选取较小厚度的 NACA4412 翼型。由 Profili 软件[2]，可以
为 0.04m，共 21 个截面；然后针对每一截面，利用式（2）求出相应 截面的弦长和扭角。
4 叶片三维建模
Profili 软件中可得到标准翼型 NACA4412 的叶素剖面形式
选取叶片翼型
模态分析
进行了严格的选定，从而优化设计了风力机的叶片。为了能直观
图 1 叶片设计的流程图
地反映叶片设计的优越性和可靠性，基于 Visual Basic、Solidworks 等软件建立了叶片三维模型；为了验证叶片是否避开共振区，应 用有限元分析研究了静态叶片的振型特性。
2 风力机叶片设计的一般步骤
将空气动力能转换为机械能，为进一步转换为电能做准备。风力
机的性能指标很大程度上受到叶片的气动性能的影响。
因此必须着重对风力机叶片进行优化设计，设计流程，如图 1 所示。
确定特征风速， 确定风力机功率
计算各叶素 的弦长和扭角
绕水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直。风轮上的叶片沿径 向布置，垂直于旋转轴，与风轮的旋转平面成一定角度（安装角）。
机械设计与制造
第6期
192
Machinery Design ＆ Manufacture
2011 年 6 月
文章编号：1001-3997（2011）06-0192-03
3MW 海上风力机叶片的三维建模及模态分析 *
季采云 朱龙彪 朱志松 孙 倩 （南通大学 机械工程学院，南通 226019）
Three-dimensional modeling and modal analysis for blades of 3MW offshore wind turbine
No.6
194
机械设计与制造
Jun.2011
储存、读入等操作。
模态分析的具体步骤如下：（1）选取分析界面：打开 Model Navigator 窗口，在 Space dimension 列表框中选择“3D”；并且在应 用模式界面选择 Eigenfrequency analysis，定义模态分析的界面。 （2）导入几何模型：File→SolidworksConnect→Initialize，建立与 Solidw
表 1 叶片 1- 10 阶频率
内可以定义模型的材料。海上风载荷复杂，腐蚀和风浪影响大，对 叶片强度和重量都有更加严格的要求。选择叶片材料为环氧玻璃 钢[7]，该材料的比强度、比模量、耐久性、耐气候性和耐腐蚀性都足
阶次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率（Hz）0.343 1.127 2.236 2.710 4.699 6.357 7.131 7.489 10.713 11.996
把坐标值写成 小数点 5 位
以 ASCII 数据形式输出
定的函数或图表来描述。
采用了 Glauert 模型[5]对叶片的各叶素进行计算。Glauert 模
型以涡流理论为基础，考虑了轴向和周向的干扰因子，忽略了翼
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
型阻力和叶尖损失，从而使得计算过程比较方便，计算结果相对
精确，其叶素的设计公式如式（2）所示。
中图分类号：TH16，TM31.5 文献标识码：A
1 前言
全球已有 50 多个国家正积极促进风能事业的发展，风力发 电在新能源和可再生能源行业中增长最快，平均年增长达到 35%。并且，我国风能资源储量居世界首位，特别是海上风电资源 稳定，风能密度大，适宜建设大功率风电机组[1]。研究对象为海上 3MW 水平轴式风力机叶片，该机组有 3 片叶片。工作时，风轮围
关键词：3MW 海上风力机；叶片设计；模态分析 【Abstract】Since blades are important components of the wind turbine, it is of vital important to de－ sign reasonable blades.A designing process on the megawatt horizontal axis wind turbine is studied in it，in which complex external environment of offshore wind turbine is taken into account，and reasonable design－ ing parameters are selected to design 3MW horizontal axis wind turbine for satisfying marine environment. Three-dimensional solid model of blades is completed by using three-dimensional mapping software.Finite element method is adopted in this paper to select characteristic parameters of blade material，then vibration modal for the blades is analyzed to determine the vibration modal of blades，which results shall be com－ pared with that of blade modal of each rank.The analysis result indicates that the natural frequency of the blade does not coincide with the excitation frequency which may avoid the occurrence of resonance. Key words：3MW offshore wind turbine；Blade designing；Modal analysis
计算风力机 的风轮直径
叶展形状设计
叶片是风力机中载荷直接作用的部件，是接受风能的最主 要的部件。合理的叶片结构设计能保证有效地接受风能；能承担
选定叶片数目
三维建模
风载荷、自重、离心力等耦合的弯矩与拉力；能减轻叶片重量、提
选定尖速比
材料选择
高叶片强度、保障叶片可靠运行、延长叶片使用寿命等。为达到上 述要求，对叶片翼型、安装角、升阻比、尖速比和扭曲表面等参数
姨h=
2
1+
1-k
2
λ
；λe
=λ
1+h 1+k
=λ0
r1 R1
1+h 1+k
l—叶展方向 r 处的弦长；
β—叶展方向 r 处的扭角；
CL —升力系数；
B—风力机叶片数目；
（a）叶素轮廓曲线
（b）叶片实体模型
图 3 叶片三维建模图
5 叶片模态分析
叶片作为弹性元件，在复杂的外在激励作用下易产生振动，
为避免叶片共振造成破坏，需要对叶片进行模态分析，确定叶片
Vn —额定风速，取 13m/s。 求得风力机叶轮直径约取为 94m。
考虑到目前国内外水平轴式风力机大都采用三叶片的风轮，
且三叶片的风轮输出功率相对较平稳[3]，因此设计叶片数 B=3。
风力机的尖速比与风轮效率是息息相关的，在发电机极限
速度允许的情况下，风力发电机的尖速比越高，其风轮效率也越
高。与风轮叶片数 B=3 相匹配的尖速比 λ0 大约在（5～8）[4]，考虑到 海上风电机组对噪声要求低，选取较高的尖速比 λ0=6。
姨 姨
姨姨l=
姨姨 姨 姨
8（π（1+1k-）k）×
λe
1
2
λe +1
r CL B
姨
姨姨姨β=arcctgλe -α
姨 姨 式中：k=姨λ2 +1 cos
1 3
arctgλ+
π 3
；
（2）
结束
图 2 坐标转换流程图 在 SolidWorks 中，选择曲线指令“通过 XYZ 点的曲线”插入 上述坐标文件，生成叶素轮廓的空间曲线，如图 3（a）所示。将该 曲线分别生成平面，对平面族放样得到叶片实体。对该实体进行 多厚度抽壳操作，得到简化的叶片中空模型，并添加肋板和根部 联接法兰，得到实体模型，如图 3（b）所示。
第6期
季采云等：3MW 海上风力机叶片的三维建模及模态分析
193
姨D=
Pn
Cp
η
ρ 2
3
Vn
π 4
（1）
式中：D—风力机叶轮直径；
Pn —风力机输出功率，取 Pn =3MW；
Cp —风能利用系数，高速风力机一般取 0.4；
η—传动链和发电机效率，取 0.81；