风力机叶片的形状优化设计

风电机组叶片力学优化分析

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风电机组叶片力学优化分析

作者：殷雨泽

来源：《城市建设理论研究》2013年第12期

摘要：本文首先介绍了叶片气动设计理论和方法，然后阐述了目前风电叶片结构设计中存在的问题，最后进行了叶片载荷计算及强度分析。

关键词：风电机组；叶片；力学；优化分析

中图分类号：TM925.11 文献标识码：A 文章编号：

风力发电是获得清洁、可再生能源的主要技术形式之一,将成为我国未来发展速度最快的新能源产业。近年来，国内外的风电产业发展很快，对相关的设计技术提出了更高的要求。按照国家规划，未来15年风电设备市场份额将高达2100亿元。风力机叶片作为风力发电机中最关键的部件之一，达到整机价值的20％左右。由于风电叶片是实现风能转换的重要环节，对机组的整体性能影响很大，由于风电机组大型化，技术难度不断提高，有关的设计方法始终是研究的热点。叶片是接受风能的主要部件，也是风力发电中的关键基础部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定性因素。

风电机组的输出功率以及作用在风轮上的轴向推力与叶片长度近似成二次方关系，叶片重量与叶片长度近似成三次方关系，所以，随着风电机组的大型化，叶片长度、叶片重量和整机所承受的载荷将不断增加，从而给叶片的运输和安装带来非常大的困难。同时，由于整机载荷的提高，机组其他部件的成本也将有相应的增加。另外，由于现代大型风电机组叶片普遍采用细长结构，所以随着叶片长度的增加，叶片的刚度越来越小，柔性越来越大，叶尖变形和风电机组气动弹性问题将更加突出。

从2002年开始，美国Sandia实验室开展的Wind PACT Blade System Design Study(BSDS)项目对1MW～10MW风电机组叶片的设计制造等问题进行了较为全面的研究。研究结果表明：在靠近叶根的位置采用钝尾缘厚翼形，能够在维持良好的气动性能的同时，有效减轻叶片重量；叶片主承力件采用碳纤材料不仅能减轻叶片重量，还能提高叶片刚度，减少叶尖变形量，成本只有较少的增加。

风力发电叶片转动原理

风力发电是一种利用风能将其转化为电能的可再生能源技术。而风力发电的核心部件就是叶片。叶片的转动是风力发电机能够产生电能的基础，下面我们将详细介绍风力发电叶片转动的原理。

一、叶片的结构与材料

风力发电叶片通常由复合材料制成，如玻璃纤维和碳纤维混合而成的复合材料。这种材料具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，可以满足叶片在风中长时间运行的需求。

叶片的结构通常呈现出空气动力学的形状，即前缘较厚，后缘较薄。这种设计可以减小空气的阻力，提高风力发电机的效率。叶片的形状也是根据复杂的气流条件进行优化设计的，以便更好地适应不同风速和风向的工作环境。

二、叶片的转动原理

当风吹过叶片时，由于气流的作用，叶片上下表面的压力分布不均。根据伯努利定律，气流在叶片的上表面流速较快，压力较低，而在下表面流速较慢，压力较高。这就产生了一个向上的升力，使得叶片受到一个向上的力，从而开始转动。

由于叶片的扭转结构，即叶片的根部较硬，逐渐向叶片的末端变软，使得叶片在风中受到的力不断改变方向。这种扭转结构能够使得叶片在不同风速下都能够保持较高的效率。

三、叶片转动与发电机的连接

叶片转动产生的机械能需要通过传动系统传递给发电机，进而转化为电能。传动系统通常由主轴、齿轮和发电机组成。当叶片转动时，主轴也会随之转动，通过齿轮的传动作用，将叶片的转动速度提高，并传递给发电机。发电机利用叶片转动带来的机械能，通过电磁感应原理将其转化为电能。

四、风向的调整与控制

为了使风力发电机能够在不同风向下都能够工作，通常在风轮前方设置一个风向调整装置。这个装置可以通过感应风的方向来调整整个风轮的转向，使其始终面向风的方向。这样可以最大程度地利用风能，提高发电效率。

为了保护风力发电机免受过大的风速和风向的影响，通常在风力发电机上设置风速传感器和控制系统。当风速过大或风向异常时，控制系统会自动调整叶片的角度，或者直接停止运行，以保护整个系统的安全运行。

风电机组叶片增效小翼技改技术应用

摘要：随着能源需求的不断增长，可再生能源在能源结构中的地位日益突出。风能作为绿色、清洁的可再生能源，具有巨大的开发潜力。提高风电机组效能，降低成本，对于推动风能产业的发展具有重要意义。本文分析了风电机组叶片增效小翼技改技术的优势，其能够提高能量转换效率、增加风能利用率、提高企业盈利能力。并且分析优化翼型设计、使用高性能材料、多种制备工艺相结合的增效小翼技改技术，能够为提高风电场风能捕获率提供借鉴意义。

关键词：风电机组；叶片增效；小翼技改；应用

引言：风能作为一种绿色、清洁的可再生能源，具有巨大的开发潜力。风电机组作为清洁能源的代表，已经在全球范围内得到广泛应用。为了使风电机组叶片更好的吸收风能，提高风电机组发电量，提升企业盈利水平。因此，风电机组叶片的增效小翼技改技术应运而生，通过风电机组叶片增效小翼技改技术的应用，能够提高风电机组的效能，对于推动风电新技术产业的发展具有重要意义。

1.风电机组叶片增效小翼技改技术的优势

1.1提高能量转换效率

通过增效小翼技改，风电机组的叶片能够更有效地转换风能为电能。具体来说，叶片加长可以增加叶片的受风面积，提高叶片的扫风速度，从而增加风能捕获量[1]。优化翼型设计可以使叶片在相同的风速下产生更大的升力，进一步提高能量转换效率。使用高性能材料可以保证新增叶片机械强度和耐候性能，保证叶片在长期运行中的稳定性和耐久性。增加阻尼装置可以减少叶片振动和机械损耗，提高能量转换效率。

1.2增加风能利用率

风能利用率对于风电机组的发电量有着重要影响。通过增效小翼技改，可以提高风电机组对风的利用率。通过技改在叶尖安装小翼可以提高风电机组叶片在各种风速下都能达到最佳的捕风效果。对原叶片的气动外形进行优化和修改，形成新的气动外形，减小叶尖扰流损失、增大叶片风能利用系数，提高叶片的捕风能力，进一步提高风能利用率。

1.3提升发电量

通过增加风电机组的叶片长度，增加其增加扫掠面积，提升风能系数。从而是提升发电量。在应用风电机组叶片增效小翼技改技术之后，可为定桨距机组提高发电量约15%，变桨距机组提高发电量约5%～15%。在确保整机、基础和各零部件安全的前提下，有效提高机组发电量，进而提高机组的经济效益。

叶片制作方法

叶片是风力发电机的重要组成部分，它负责接收风能并转化为机械能驱动整个风力发电系统。本文将详细介绍叶片的制作方法，包括材料准备、设计流程和制作步骤等。

材料准备

在开始制作叶片之前，需要准备以下材料和工具：

• 碳纤维布：具有良好的强度和轻质特性，适合制作叶片的材料。

• 环氧树脂：用于固化碳纤维布，并赋予叶片良好的刚性和耐久性。

• 风力发电机叶片模具：根据设计要求制作的叶片形状的模具。

• 布料剪刀、刷子、涂胶筒等常用工具。

设计流程

在进行叶片制作之前，需要进行设计流程的规划。以下是一个简单的设计流程示例：

1. 确定设计要求：包括叶片长度、宽度、厚度等尺寸参数，以及叶片的形状和数量等。

2. 绘制叶片草图：根据设计要求，使用计算机辅助设计软件或手绘草图，绘制叶片的形状和结构等。

3. 进行叶片性能分析：利用专业软件对叶片进行性能分析，包括气动特性、结构强度等。

4. 优化设计：根据性能分析结果，对叶片的形状和结构进行优化调整，以提高叶片的效率和强度。

5. 生成制作图纸：根据最终的设计结果，生成叶片的制作图纸，包括叶片的分段结构和材料规格等。

制作步骤

完成叶片的设计后，可以按照以下步骤制作叶片：

1. 制作模具：将叶片的设计图纸按比例放大，并在合适的材料上进行切割，制作出叶片的模具。模具的制作应尽量保证精度和光滑度。

2. 准备碳纤维布和环氧树脂：根据叶片的尺寸和数量，准备足够的碳纤维布和环氧树脂。

3. 切割碳纤维布：根据叶片的设计图纸，使用布料剪刀将碳纤维布按照合适的尺寸切割成相应的形状。 4. 涂胶：将切割好的碳纤维布放置在模具上，使用刷子均匀涂抹一层环氧树脂，使碳纤维布能够充分浸透。

5. 层层叠加：将涂胶的碳纤维布逐层叠放在模具上，注意每层叠放时要使叶片的形状和结构保持一致，并适当加固关键部位。

6. 固化：将叠放好的碳纤维布放置在干燥通风的地方，等待环氧树脂固化。根据环境温度和树脂的固化时间，大约需要24至48小时。

基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法

内蒙古工业大学学报JOURNALOFINNERMONGOLIA第30卷󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁UNIVERSITYOFTECHNOLOGY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.30No.22011

收稿日期:2010-09-12作者简介:王志德(1959-),男,内蒙古工业大学机械学院,副教授,从事工程图学方面的研究通讯作者:曹艳,讲师,从事工程数学方面的研究,E-mail:cy_llp@文章编号:1001-5167(2011)03-0081-05基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法

王志德1,胡志勇1,曹󰀁艳2,李艳霞3,张国兴1(1.内蒙古工业大学机械学院2.内蒙古工业大学理学院3.内蒙古工业大学图书馆呼和浩特010051)摘要:以G52-850kW风力发电机风轮叶片为例,利用Glauert涡流理论相关原理完成风力发电机风轮叶片的设计,基于三维CAD造型软件Solidworks,作出叶片断面的草图,用三种方法实现了叶片三维造型,对这三种建模方法进行了比较,具有一定的现实意义和实用价值。关键词:风轮叶片;建模;造型分析中图分类号:TP391.72;TP31󰀁文献标识码:A0󰀁引󰀁言

风轮是风力发电机(以下称风力机)最重要的部件之一。风力机就是依靠风轮把风所具有的动能有效转化为机械能并加以利用。风轮的设计好坏对风力机有重大影响。现代风力机风轮通常是采用三叶片的上风或下风结构。风轮叶展形状、翼型形状与风力机的空气动力特性密切相关。目前,在风力机风轮叶片的气动设计方面,还没有系统的设计模型和方法,只有针对某一方面的模型,这些模型还无法归纳成一套可靠的系统设计模型。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力,使之尽量趋于最大值,以增加风力机的风能利用系数。叶片气动设计主要是外形优化设计,这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风力机的发电效率,在风力机运转条件下,流动的雷诺数比较低,叶片通常在低速、高升力系数状态下运行,叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成,叶片叶型的设计变得非常重要。本文以Glauert涡流理论为依据设计叶片并优化,优化过程以叶轮的气动、功率数值计算为基础,根据不同的设计需要选取翼型。一般现代风力机的叶片都制成螺旋桨式的,目的是让整个叶片由根部到尖部各截面翼型的弦长与对应处的相对风速大致相同,并使其在最佳攻角值附近,使风力尽可能多地转换成叶片的升力,提高风力机的利用系数。1󰀁风力机风轮的主要数据参数

第八章机械优化设计实例

机械优化设计是指通过优化设计方法和技术，提高机械产品的性能、降低成本和改善产品的可靠性和可维修性。在本章中，我们将介绍两个机械优化设计实例，分别是汽车发动机和风力发电机的优化设计。

汽车发动机的优化设计是目前汽车行业的热点问题。传统的汽车发动机具有功率输出低、能效低和排放高等问题。为解决这些问题，可以通过优化设计改善发动机的气缸设计、燃烧室设计和可变气门技术等。例如，通过增加气缸数和减小气缸直径来提高发动机的功率输出和燃烧效率；通过优化燃烧室形状和喷射系统来提高燃烧效率和降低排放；通过采用可变气门技术来提高发动机的响应速度和燃烧效率。

风力发电机的优化设计是提高风力发电机转化效率的重要途径。传统的风力发电机的转化效率较低，主要是由于叶片的设计不合理和气动噪声等。为此，可以通过优化叶片的形态和材料，改善气动性能和降低噪声水平。例如，通过增加叶片的长度和调整叶片的弯曲角度来提高叶片的气动效率；通过选择具有良好耐候性和强度的材料来延长叶片的使用寿命。此外，还可以通过改进整个风力发电机的结构和控制系统，提高发电机的运行稳定性和可靠性。

以上两个实例都是典型的机械优化设计案例，通过采用优化设计方法和技术，可以显著提高机械产品的性能和质量，降低生产成本和维护成本，同时还可以减少对环境的影响，提高产品的竞争力和市场占有率。

机械优化设计的核心是在设计阶段充分考虑产品的性能、成本和可靠性等因素，通过系统性的优化设计方法和工具，找出最佳设计方案。优化设计的过程包括问题定义、设计参数选择、设计方案生成和评估等。其中，设计参数的选择是非常重要的，设计参数的合理选择可以显著影响产品性能和成本。在实际的优化设计中，可以使用模拟软件和实验方法进行参数优化和设计方案评估。

在机械优化设计实例中，我们提到了汽车发动机和风力发电机的优化设计。这两个实例都是当今社会中具有重要意义的机械产品，它们的性能和质量对整个行业的发展和进步起着重要的推动作用。通过优化设计，可以提高产品的性能和质量，降低生产成本，同时还可以减少对环境的影响，提高产品的竞争力和市场占有率。

风力机叶片设计及模态分析

上海海洋大学硕士学位论文

IV

1. Wind turbine blade design

Based on the aerodynamics of wind turbine, some parameters such

as the rated power, the rated wind speed and the wind energy utilization

coefficient can be calculated, and other parameters such as the diameter

of the blade can be calculated. For some gas blade aerodynamic

parameters, such as length, torsion angle and other parameters to

calculate the used design method. In this paper, the aerodynamic shape

parameters are calculated by using the simplified method, the Glauert

design method and the Wilson design method. Get the airfoil chord and

twist angle, and carries on the comparison. After analysis the results of

Wilson is simplified design method and Glauert design method is more

accurate.

2. Aerodynamic characteristics analysis of blade airfoil

Gambit software was used to establish the calculation model of the

大型风力机叶片的耦合优化方法

第２９卷第３期　２０１２年３月　机　电　工　程　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．３　Ｍａｔ．２０１２　

大型风力机叶片的耦合优化方法　

刘伟江，潘柏松　，陈栋栋　

（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州３１００１４）　

摘要：为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本，通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论，综合考虑风能效率　和成本，以叶片的风能效率成本最小化为优化目标，提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法，对某５０　ｍ　风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明，该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点，叶片风能效率成本比传统设计方法设　计的叶片减少了８．８４％。　关键词：多学科优化；风力机叶片；叶素动量理论；欧拉伯努利梁理论；风能效率　中图分类号：ＴＨ１２３；ＴＨ６１４；ＴＫ８３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１２）０３—０２６１—０４　

Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＭｕｌｔｉＭＷ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅｓ　

ＬＩＵ　Ｗｅｉ－ｊｉａｎｇ，ＰＡＮ　Ｂｏ－ｓｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｄｏｎｇ－ｄｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００１４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ，ｍｕｈｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＭｕｈｉＭＷ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｃｏｓｔ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｔｈｅｏｒｙ（ＢＥＭ）ａｎｄ　Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ　ｂｅａｍ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　５０　ｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂａｌａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　８．８４％．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｕｈｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ；ｂｌａｄｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｍｅｎｔｕｍ　ｔｈｅｏｒｙ（ＢＥＭ）；Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ　ｂｅａｍ　ｔｈｅｏｒｙ；ｗｉｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

风力发电机叶片设计

风力发电机叶片的设计

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。

基于Matlab的1.5 MW风力机叶片设计和优化方法

李仁年;郭杏威;杨瑞;旷海洋

【期刊名称】《甘肃科学学报》

【年(卷),期】2012(24)4

【摘要】以Wilson理论为基础,采用Matlab对风力机气动外形设计程序,对叶片的弦长、扭角进行优化设计,并对优化结果进行比较分析,叶片截面的风能利用系数均高于0.5,最高可达到0.56,非常接近贝茨极限的0.593,验证了优化叶片的工作性能,为大功率风力机叶片的设计开发提供了理论依据.%Taking the Wilson theory

as a foundation, the design project of the anemometer air-operated

contour and the optimization design of the chord length, and the torsion

angle of the blade are carried on with the help of the matlab and then a

comparative analysis is made on the optimized results. The coefficient of

wind energy utilization of the blade cross sections is higher than 0. 5;

sometimes it goes up to 0. 56, very close to the Betz limit of 0. 593. The

performance of optimized blade is verified,thus providing a theoretical

basis for the design and development of high-power wind turbine blades.