DDL型叶片结构与工艺设计—DDL型叶片结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 当今世界，风力发电已成为新能源主题之一。与此同时，风力发电机叶片的发展也十分迅速。其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。叶片的翼型设计、结构形式直接影响风力发电装置的性能和功率。叶片是风力发电机中最核心的部分，是风力发电机中叶轮的最基础和最关键的部件，所以叶片设计的好坏，决定了风力发电机的优劣。叶片也是受力最为复杂的部件。设计良好的叶片是风力机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。叶片作为接收风能的主要部件 ,在整个风电设备系统中的地位尤显重要 ,要求其具有 合理的翼型设计。优质的材料和先进的工艺 ,其设计 !制造和性能成为了重点研究和大力发展的目标 目前对于叶片的研究集中在翼型、结构、材料和工艺制造方面。 关键词： 叶片的发展；叶片结构设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n s of At of is is to of of of is of is in so is or is is a as of in is a of on 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . I . 录 . 绪论 . 1 题来源与背景 . 1 内外现状及前景 . 1 外风机叶片情况 . 1 内风机叶片情况 . 2 2 叶片的研究与设计 . 3 力机典型结构 . 3 片载荷分析 . 4 荷分类 . 4 荷计算的坐标系 . 4 动载荷（记作 s） . 6 力载荷（记作 u） . 7 心力载荷（记作 v） . 8 用载荷和设计载荷 . 8 片材料的选择 . 9 3 叶片的结构设计 . 12 片剖面结构形式设计 . 12 片铺层设计 . 14 层设计原则 . 14 层设计过程 . 15 片强度和变形设计 . 15 片的应力计算 . 15 片的变形计算 . 16 片根端连接设计 . 17 片频率的计算 . 18 片结构设计算例 . 19 片气动外形参数 . 19 片材料选择 . 20 片结构形式 . 20 4 叶片结构介绍 . 23 身的设计 . 23 根的设计 . 23 片剖面的形状 . 24 根与轮槽配合图 . 24 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 结论与展望 . 26 论 . 26 望 . 26 致谢 . 27 参考文献 . 28 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 绪论 发展可再生能源是当前世界一个共同的趋势，可再生能源是对气候变化和解决世界能源问题的重要技术手段。风力发电是一项新兴产业，尽管当前与常规火电相比有产业规模小，一次性投资大等不利因素，但风力发电对改善环境，减少污染物排放，优化资源配置，优化电力结构有着不可估量的作用。从长远利益出发是保证可持续发展的战略措施。在中国的新能源开发利用中，风力发电最具规模化开发条件和商业化发展前景，会成为将来中国一大业。 风电 是世界上增长最快的能源，装机容量每年增长超过 30%。到 2003年初，全球风力发电装机容量达到 3200万千瓦，亦即其总量己经相当于 32座标准的核电站，足以供应 1600万欧洲普通家庭或 4000万欧洲居民的电力需求 。 2005年 2月旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的 5京都议定书 621也己正式生效，这对风电行业的发展无疑会带来十分积极的影响。我国的风力发电机组的制造进步较快，国产风机中某公司己经形成了 600千瓦、 750千瓦、 术水平均达到国内领先水平，所有机组均获得德国劳埃德认证， 机组最高国产化率超过 90%，其中 近年来，工程设计师们都倾向于把结构材料利用到极限，使得各种结构越来越轻巧，以增加有效载荷，从而获得更大的经济效益。但这样一来，结构的挠性就增大，气流诱发的结构振动就严重了。随着科学技术的普遍发展，飞行器的速度及其动力机械部件运转的速度越来越快，地面建筑结构越来越高，桥梁跨度也越来越大，风力发电机组叶片越来越长，在空气动力作用下这些薄壁件都是很好的弹性体，极易变形而出现颤振。即结构与气流藕合振动问题的严重性在不断增长。 从国内外风机的应 用实际来看，由于设计中对动力学问题研究不够，造成风机不能正常运行，甚至失效和毁损的例子屡见不鲜。从我国内蒙、江苏等地风机的使用情况看，有许多未经严格气动计算和动力学分析的风机，在运行中发生损毁的例子，有些样机在试运行期间问题就层出不穷，还没有投产就被迫中途停产，这些问题不解决，不但会造成巨大的经济损失，而且严重影响了风机的推广和应用。 我国的制造水平和发达国家还有一定的差距，由于前期的基础研究跟不上，其中有很多没经过气动试验的叶片也在运行，叶片断裂时有发生，这些都严重阻碍了风力发电技术的进一步发展，所以要进 行叶片的结构设计，使叶片本身具有很好的刚度和强度。 外风机叶片情况 在风力发电机组中，复合材料部件主要有：叶片，机舱罩，导流罩等，其中 用量最大的就是叶片。风机叶片具有尺寸大，外形复杂，精度要求高，对强度和刚度要求高，表面粗糙度要求高，要求质量分布均匀性好等特点。是整个风机的最核心部分，占整个风电机组成本的1/4 到 1/3。国外叶片研制向大型化，低成本、高性能、轻量化发展，丹麦某公司现己开发54m 的全玻纤叶片，其单位 时成本很低，同时开发横梁和端部使用少量碳纤维的 61开发 机。德国某公司则开发 56m 长的碳纤维叶片，他们认为当叶片买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 尺寸大到一定程度时，由于使用碳纤，材料用量的减少，可以使其成本不高于玻纤复合材料 4；该公司现己开发的 44m 叶片仅重 中丹麦的某企业叶片占世界叶片市场的很大份额，有完整的叶片研发、制造、试验、分析方案和设施，具有丰富的叶片设计经验。随着叶片长度的增长和海上风电的发展，叶片将遇到更复杂的气动力。进一步增加了由于气动力而导致破坏的危险。 国外机组叶片大举进军中国市场，以 2004 年中国市场情况为例，国外机组占到市场份额 的 75%，国内最大的某风机制造企业占到 20%；国内风机制造企业所用的叶片主要依靠进口和外资企业生产；只 20%叶片由国内生产；丹麦的世界最大的叶片制造商于 2001 年在天津己经建立独资企业生产供应片；其它各国的风力行业领头企业也陆续要在天津投资建立叶片制造厂、总装厂。风力发电机组叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的好坏自接影响风力发电机的效率、寿命和性能。而叶片的研制、生产涉及到多个学科，是高科技产品。由于国内缺乏制造大型风机叶片的技术基础，因此 /九五 0 以前，我国的风力发电叶片几乎全部依赖进口。 内风机叶片情况 当前，国内缺乏复合材料风机叶片设计的专业人才而国外己有 20 余年的设计制造历史，数十名一流的专业设计师集中在几个设计公司和制造企业，在叶片设计方面积累了丰富的经验；国外有专门的设计公司，开发出 10 余种专业软支持叶片设计，提高了效率和可靠性 5。在叶片的制造工艺方面 6，我国目前能实现批产的只有采用手糊工艺制造的叶片，而对于先进的制造技术如预浸料、 工艺正处于试验阶段；而国外己经实现先进工艺的产业化应用，很多企业采用 艺制造大型叶片和预浸料工艺制造叶片 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 2 叶片的研究与设计 风力机叶片设计涉及内容十分广泛，需要满足一些要求，而优良的叶片设计就是在这些要求中找到一个最优的组合 16。这些要求可归结为： (1)对于给定的风速分布，能够获得最大的年能量产值； (2)当风力机为失速型风力机时，应该能限制它的最大功率输出，以致风力机能正常运行； (3)能够承受极端载荷和疲劳载荷； (4)对于上风向风力机，应该避免叶尖变形过大而致使叶片和塔架发生碰撞； (5)应当避免叶片和塔架发生共振； (6)应当使得叶片的重量和成本在允许条件下达到最小。 风 力机叶片设计一般包括气动设计和结构设计。气动设计包括确定叶片长度、翼型系列、弦长、扭角和厚度分布等几何参数，主要用来满足 (1)和 (2)的要求。叶片的结构设计包括叶片材料的选择、剖面形式和翼梁的设计，主要用来满足 (4)和 (6)的要求。一般来讲，气动设计决定结构设计即结构设计是在气动设计基础上进行的，但是风力机叶片的结构设计也不是完全被动的，它从结构角度提出修改意见，甚至改变某些断面形式以求得最佳气动效果和最佳的结构设计 力机典型结构 从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分：风力机，将风 能转换为机械能；发电机，将机械能转换为电能。 风力机的分类方法有很多：按照收集风能的结构形式及在空间的布置，分为水平轴风力机和垂直轴风力机；按塔架位置，分为上风式和下风式；按叶片数量，分为单叶式、双叶式、三叶式、四叶式和多叶片式；按叶片形分为螺旋桨式、H 型。；按风力机容量，分为微型 (1下）、小型（ 1型（ 10大型（ 100上），其中 1000 2000下称为兆瓦级， 2000以上又称为多兆瓦级。 （ 1）水平轴风力机 水平轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面 夹角不大于 15。的风力机。水平轴风力机有传统风车、低速风力机和高速风力机等三大类型。传统风车历史悠久，结构原始，现在遗留下来一些，除经济不发达地区还保留作提水、碾米、磨面等用途外，在发达国家主要作为人类文化遗产而精心保存。低速风力机在美洲及欧洲尚有部分存在，其风轮有叶片有 1224 片，几乎覆盖了整个旋转平面，风轮后面有保持迎风位置作用的尾翼。这种风力机的最大直径约为 5国曾制造过直径达 15m 的低速风车，这种风车适用于在低风速地区，当风速为 23 耐 s 时就可以转动，启动力矩相对较高。 高速风力机风轮叶 片仅 24 片，与低速风力机相比，高速风力机有重量轻，能承受的离心力大，转速高，价格低的优点。不足之处就是启动困难，如没有其他辅助设施，风速需达到 5 耐 s 方能转动。由于高速风力机转速高，叶尖速比可达到 10，在相同直径时，扭矩也较低，因而它非常适合风力发电，其风轮轴还可以通过变速齿轮箱与发电机匹配。为尽可能好地利用自然风，这种风轮可用尾舵或自动调向装置自动调整风轮正面面迎风。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 （ 2）垂直轴风力机 垂直轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机。垂直轴风力机在风向改变时无需对风，这是相对水平轴风力机的一大优 点，它不仅使结构设计简化，而且还减少了风轮对风时的陀螺力。这类风力机的形式较多，如 S 型、 H 型、达里厄型等。这类风力机有许多特点，如增速器、联轴器、发电机等可安装在地面上，安装维修方便，不用调向，叶片制造简单等，研究日趋增多，各种形式不断出现。 在风力机的设计中必须对其运行时所处的环境和各种运行条件所产生的各种载荷进行精确地分析与计算。其目的是为了对风力机进行强度分析 (包括静强度分析和疲劳强度分析 )、动力学计算分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命期内能够 正常地运行。该项工作是风力机设计中最为关键的基础性工作。所有后续的风力机设计工作都是以载荷计算为基石出。由于风力机运行在复杂的外界环境下，并且它有不同的运行状态，所承受的载荷很多。根据不同的标准，可以对作用在风力机上的载荷进行分类。 (l)根据载荷的来源，可以分为气动载荷、重力载荷、惯性载荷 (包括离心力、陀螺载荷 )、功能载荷 (包括刹车、偏航、叶片变桨距控制以及发电机脱网等产生的载荷 )和其他载荷 (塔影、流过塔架的旋涡脱落、不稳定性等将导致其他载荷或载荷效应；叶片振动可发生在摆振和挥舞方向上，这两种振型都 有可能被负的气动阻尼激发 )。 (2)根据风力机运行状态随时间的变化，载荷可分为稳态载荷、瞬时载荷、周期载荷和随机载荷。 1 稳态载荷 (也称静载荷或准静载荷 )，包括：作用在风轮叶片上的气动载荷、离心载荷、机舱和塔架的重力载荷和气动阻尼等； 2 瞬时载荷，包括：由阵风、斜风、偏航制动、脱网等引起的载荷； 3 周期载荷，包括：塔影效应对叶片产生的载荷、叶片旋转引起的重力载荷、气动不平衡产生的载荷、风廓线引起的载荷等； 4 随机载荷，包括：风轮启动，发生地震等引起的载荷 风力机运行在 复杂的自然环境之中，所受到的载荷十分复杂。要对风力机中各个零部件的载荷进行计算，就有必要选择恰当的计算工具。而坐标系是一种很好的辅助计算工具，在恰当的坐标系之下可以方便快捷的计算载荷，达到事半功倍的效果。设计风力机时会有不同的设计要求和不同的性能计算，这就需要在风力机上建立不同的坐标系。本文采用常用的三坐标系，如图 示。 (l)叶片坐标系：其原点位于叶片根部中心处，并随风轮旋转，各坐标轴的方向如图 2.2(a)所示 。 (2)轮毅坐标系：其坐标原点位于风轮中心，且不随风轮转动，各坐标轴的方向如图 2.2(b)所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 (3)塔架坐标系：其原点位于风轮轴和塔架轴的交点上，且不随风轮转动，各坐标轴的方向如图 2.2(c)所示。 图 a）叶片坐标系 图 b）轮毂坐标系 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 图 c）塔架坐标系 风力机叶片的受力情况比较复杂，为方便分析，可简化为三种力：气动力、离心力和重力，叶片受力情况如图 2片受力示意图 作 s） 作用在风轮 (主要是叶片 )上的气动力是风力机最主要的动力来源。风轮是风力机最主要的承载部件。计算风力机载荷之前必 须计算作用在叶片的上的空气动力。目前计算作用在叶片翼型上的气动力主要依据片条理论，该理论综合了叶素理论和动量理论，根据该理论可以得到： （ 1）叶片上单位长度翼型断面的气动力： 22 ( c o s s i n )1122 x l C C W C （ 22 ( s i n c o s )1122 y l C C W C （ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 式中 为空气密度； W 为相对速度； C 为剖面翼型弦长； 为来流角； lC、 （ 2）气动力剪力： q （ q （ 式中， R 风轮半径； r 轮毅中心到翼型断面的距离。 （ 3）气动力弯矩： 11 )( （ 11 )( （ 式中， 1r 积分变量 （ 4）气动力扭矩： ()( （ 式中， 该向量指向负 方向为正，即使 角减小的方向为正 P 翼型断面压力中心； C 扭转中心。 作 u） （ 1）单位长度重力： 设和分别为剖面各部分的密度和面积。 于是， c （ u （ 式中， 叶片旋转方位角； 0 和 0F 分别为折算的密度和面积； g 重力加速度。 （ 2）重力拉力或压力： s （ 3）重 力剪力： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 c （ 式中： 轴倾角 （ 4）重力弯矩： c 1001 （ 5）重力 扭矩 100 )( （ 式中， G 叶片重心 作 v） 由于风轮绕主轴旋转而产生离心力载荷，作用在翼剖面的重心上，与重力载荷相互作用会给叶片带来很大的作用力，计算时必须予以考虑。 （ 1） 单位长度离心力 20 （ 20 （ 式中： 风轮的旋转速度 离心拉力： 11020 （ （ 2） 离心剪力： 1020 （ （ 3） 离心力弯矩： 110201 )()( （ 110201 )()( r （ 或 1011002 )()( （ （ 4）离心率扭矩 )()()()()(1101111002 （ 使用载荷是指风力机正常使用中可能出现的最大载荷 17。在该载荷的作用下，结构不产生妨碍风力机正常运行的有害变形，卸载后不遗留有害的残余变形。设计载荷是使用 载荷与安全系数的乘积，是结构能承受的最大载荷，预计在大于或等于该载荷作用下，结买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 构将破坏或丧失承载能力。用于设计风力机结构、强度校核计算和进行极限载荷或破坏试验。计算风力机部件的极限载荷用来分析风力机部件最大强度、疲劳失效、 稳定性以及变形，在载荷的计算过程中，必须针对上述每种设计载荷工况，计算 中规定的载荷 。 由于载荷的计算和材料的实际特性有许多不确定性因素，因此有必要使用局部载荷安全系数方法来具体说明材料特性 18该方法分为两部分： (l)确定材料的设计特征； (2)选择材料的局部安全系数 为了求得极限载荷，就必须要得到载荷函数 S(凡 )，它应该满足以下关系式： )()( 式中n 失效后果系数 )(fR c 抗力函数 载荷的设计值 材料特征的设计值 一般来讲，载荷函数是预应力的最大值，而抗力函数是最大允许设计值。 载荷的设计值可以通过以下关系式计算 F （ 式中 ：f材料的设计特征值通过下式计算： 1 （ 式中 ：f载荷的局部安全系数应大于 常情况下，取值在 5 之间 材料局部安全系数至少为 效后果系数至少为 表 2荷的局部安全系数 载荷来源 不利载荷 有利载荷 载荷工况类型 所有载荷工况 正常和极端 非正常 运输和吊装 气动载荷 行载荷 力载荷 1， 1 他惯性力 ： 当大部分载荷参数不是以质量来确定时的取值 风力机叶片占整个风电机组成本的 15%一 20%。叶片所使用的材料不仅影响叶片的性能和效率，还影响单位发电量的成本叶片材料的选择是叶片结构设计之前很重要的一项工买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 作，优良的材料是风力机叶片具有优异特性的重要保证。由于叶片运行于野外，恶劣的气候频 繁发生，因此叶片材料的选择受到很多因素的制约。例如：材料的特性、可靠性、安全性、物理属性、可用性、易处理性、回收再利用特性以及经济特性。材料选择的原则如下：用于制造叶片的材料必须具有良好的力学、热、化学特性，包括高强度、高刚度、低密度、长寿命、良好的耐腐蚀性等等；材料要易于加工制造、价格合理、能够保证加工制造过程中不产生污染环境的废物。本节对风轮叶片的材料特性及叶片的结构予以介绍。 理想的叶片材料应具有一些必要的结构特性 (较高的比强度、较大的疲劳寿命和刚度 )、低成本并且可以形成需要的翼型断面形状。 表 2出了叶片一些常用材料和可选用材料的结构特性便于比较，表中给出了各种材料的耐压比强度、疲劳强度与耐压强度的比值 (百分比 )、比刚度以及板件复原参数)/( 2 从表中我们可以清楚看到，玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料比其他材料有更高的耐压比强度。但是，这个明显的优点并不像它表现的那样具有决定性，这是因为，在一些包装层压叶片壳体的层板中，纤维都偏轴排列 (典型的以 来抵抗剪切载荷，这样就减小了轴向强度；这些复合材料有较低杨氏模量，这意味着设计中占主导地位的是蒙皮抗皱损而不是简单的抗压屈服。结构失稳的可能性与板件复原参数成反相关，因此板件复原参数较大的材料，如木材，不易发生屈曲失稳。这样，在同等条件下，木制叶片比玻璃纤维复合叶片更轻。 与其它的材料相比，由于木质层板有较低的强度，因此木质层板不适合制造运行于高尖速且有细长翼弦的叶片，叶片运行在高尖速时，它的挥舞弯矩相当高。曾有报道，对于失速调节型风力机，叶片的应力对转速十 分敏感，当蒙皮的厚度与弦长的比值一定时，应力以转速的 4 次方增加。尽管可以通过增加厚度来减小应力，但当厚弦比超过 3 一 4%时，厚度增加会使得风力机效率降低。疲劳特性可以用 1 护循环时平均疲劳强度占极限疲劳强度的百分比来表示。显然，碳纤维和卡欧属 /环氧叶片的疲劳特性较好，其值为 30%。比刚度决定叶片的自然频率。除碳纤维增强塑料外，其它材料的比强度都相对较小 (18 一 27，这说明材料的选择对动力特性影响较小。 从上面的分析可以看出，碳纤维复合材料有最好的多方面结构特性但是由于它比其他的材料更贵 (是玻璃 纤维的 10 倍 )而没有得到普遍应用。反而，得到广泛使用的是玻璃纤维/聚酷，玻璃纤维 /环氧树脂和木质 /环氧层板。原料钢是最便宜的材料，并且能够按照翼型轮廓形成变截面、弯曲的面板。但是由于这个面板难以扭曲，且疲劳特性差，因此刚很少用来制造风力机叶片。相反，玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料能够自动浸渍保存在模具中，而这个模具能够形成合适的翼型、叶片平面形状以及扭曲。层板复合叶片也以类似的方式制成，只是胶合板厚度需要加以限制，以确保胶合板能够弯曲来满足铺层的曲率 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 表 2种材料的结构特性比较 材料 极限抗张强度（ 密度（ 耐压比强度（ 平均疲劳强度（ 疲劳强度占的百分比 弹性模量E( 比刚度（ E/ 板件复原参数 纤玻 /聚酶层板 玻纤 /聚 酶层压塑料 碳纤 /聚酶层板 卡殴属 /环氧层压塑料 桦树 /环氧层压板 高屈服钢 可焊接铝合金 860900 690720 1830 82 117 510 295 90 310 700 90 121 65 109 140 120 350 15 0 17 19% 21% 32% 30% 20% 10% 6% 38 42 10 15 210 69 8 90 18 7 前商品化的大型风力机叶片大 多采用玻璃钢 ，对于长度超过 40m 叶片，有采用碳纤/玻璃纤维混杂复合材料，由于碳纤维的价格高，未能推广。估计今后一段时间内，玻璃钢复合材料仍将是大型风力机叶片的主流材料。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 3 叶片的结构设计 片剖面结构形式设计 叶片剖面结构形式的设计是叶片结构设计的重要环节，它的设计好坏对叶片结构性能影响很大。在设计中，我们一般根据叶片具体技术要求，选择采用恰当的叶片截面类型。截面类型主要有：实心截面，空心截面及空心薄 壁复合截面等。当用玻璃钢材料来制造叶片时，必须注意到材料的强度和弹性模量与其它类型材料的差异和工艺上的多样性，并且最好选用较厚的叶型设计成空腹结构。但空腹薄壁结构在受载时容易引起失稳和局部变形过大，因此一般都在空腹内充填硬质泡沫塑料 提高叶片总体刚度。 图 叶片典型剖面结构 叶片剖面的结构应根据叶片尺寸大小、荷载情况、制造工艺有所变化。如主梁较宽，主梁的上下缘应采用夹层结构，以免产生屈曲失稳。或主梁宽度设计得较窄，可不采用夹层结构，但要进行屈曲稳定验算。前缘空腹由于曲率较大 ，抗屈曲失稳能力较强，通常不需要采用夹层结构，但前缘空腹宽度较大时应考虑采用夹层结构。蒙皮的增强层也可采用纤维毡与织物交替铺设。剖面结构形式确定之后，必须对叶片剖面几何特性进行计算。由于沿叶片轴线方向，叶片的弦长 C，相对厚度 t/C 以及所选取的翼型都是变化的，所以叶片剖面几何特性的计算工作量较大。需要计算的剖面几何特性有：面积 F：重心 性矩 矩 转刚度 等 20。计算中，以叶片剖面翼型的前缘点作为坐标原点，翼弦方向为 x 向，垂 直于 x 向和剖面翼型上下表面的交点就是叶片剖面翼型y 坐