（工程力学专业论文）风机叶片的强度和刚度优化设计.pdf

o p t i m a ld e s i g no fs t r e n g t ha n d s t i f f n e s s f o rt h e 晰n dt u l b i n eb l a d e 胁x i a o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a oy o n g g a n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创陛声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：聚阮 日期：加l f 年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：灵移 导师签名：出不叭 日期：劲f f 年月7 日 日期：加f f 年 莎月7 日 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 新能源1 1 2 国内外风力发电的现状和发展一2 1 3 世界风机叶片的发展概况4 1 4 风机原理6 1 5 风机叶片的研究现状7 1 6 本文研究内容1 0 1 7 常用翼型介绍1 1 第二章有限元分析及建模1 2 2 1 最小势能原理1 2 2 2 最小余能原理1 2 2 3 叶片的有限元模型1 3 2 3 1 叶片设计步骤1 3 2 3 2 翼型主要设计参数1 6 2 4 叶片载荷计算18 2 4 1 本文施加载荷。l8 2 4 2 载荷工况。18 2 4 3 叶片上的载荷1 8 2 5 叶片的有限元建模2 1 第三章结论分析及优化方向2 6 3 1 第一类工况下的结果分析2 6 3 2 第二类工况下的结果分析3 1 3 3 第三类工况下的结果分析3 7 ，j c j 6 4 4 4 1 1 结论4 6 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢4 9 附录a ( 攻读学位期间发表的论文) 5 0 硕士学位论文 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。叶片翼型的设计大多采用已有的机翼翼型， 如n a c a ( 4 4 0 6 - - - 4 4 1 5 ) 翼型、哥丁根( g o t t i n g e n ) 翼型等。 本文在已有理论的基础上，做了以下工作： 1 在有限单元法的理论下，根据已有的叶片翼型，利用有限元软件a n s y s 建立叶片 的有限元模型，采用壳体单元s h e l l 6 3 对模型进行离散化，对建好的叶片有限元模型施 加工况条件，进行结构分析，本文为静态分析； 2 计算出叶片所受的气动力、惯性力及重力，分别以三种不同的组合方式加在叶片 上。在三类工况下，施加不同组合方式的载荷在叶片上，对建好的叶片模型进行结构静 力分析； 3 对叶片模型在三类工况下的结构静力分析结果进行比较，得出优化设计方向。 关键词：风机叶片；翼型；刚度和强度；a n s y s 建模：优化 t h eb l a d ed e s i g na d o p t sp r e - e x i s t i n ga i r f o i lp r o f i l ea su s u a l ，f o re x a m p l e ：n a c a ( 4 4 0 6 - - - 4 4 1 5 ) ，g o t t i n g e na n ds oo n t h ep a p e rm a d ea f o l l o w i n go p e r a t e a tt h eb a s i co f e x i s t e dt h e o r i e s ： 1 i nt h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d , o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gb l a d e a i r f o i l s ，u s i n g t h ef i n i t ee l e m e n ts o i l w a r ea n s y sf m i t ee l e m e n tm o d e l ，a d o p t i n gm o d e ls h e l l 6 3s h e l l e l e m e n td i s c r e t i z a t i o n , b u i l tl o a dc o n d i t i o n so nf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb l a d e ，c o n d u c t i n g s t r u c t u r a la n a l y s i s t h i sp a p e rs t a t i ca n a l y s i s ； 2 c o m p u t i n ga e r o d y n a m i cf o r c e ，i n e r t i a lf o r c ea n dg r a v i t y , a p p l 姐n gt h e mb yt h r e e k i n d so fd i f f e r e n tm o d e so nt h eb l a d er e s p e c t i v e l y u n d e rt h r e et y p e so f w o r k i n gc o n d i t i o n , t h r o w i n gd i f f e r e n ta s s e m b l el o a d so nt h eb l a d e t h e na n a l y z i n ge s t a b l i s e db l a d ep a t t e m m a k i n g 躐o f s t a t i ca n a l y s i s ； 3 c a r r y i n go na na n a l y s i st ot h eb l a d es t r u c t u r eu n d e rt h r e et y p e so fw o r k i n gc o n d i t i o n , t h e no b t a i no p t i m i z e dd i r e c t i o n k e yw o r d s ：f a nb l a d e ：a i r f o i lp r o f i l e ；s t i f f n e s sa n di n t e n s i t y ；a n s y sm o d e l ；o p t i m i z e i i 美极大依赖于石油资源的发达国家受害为重。最严重的状态，莫过于工业大幅度萎缩， 或甚至因为抢占剩余的石油资源而引发战争。因此，人类必须尽早研究、利用新能源， 从而缓解“能源危机 给人类带来的危害。 2 0 0 0 年到2 0 0 4 年我国煤的生产量与消费量如表1 1 所示。从表中可以看出，我国 能源生产生产量逐年增加，从2 0 0 0 年的1 2 0 ，9 0 0 万吨标准煤到2 0 0 4 年2 0 6 ，0 0 0 万吨标 准煤；能源消费量也在逐年上升，从2 0 0 0 年1 4 3 ，1 9 9 万吨标准煤；但生产和消费之间 比例严重失调，缺口从2 0 0 0 年2 2 ，2 9 9 万吨标准煤一直上升到2 0 0 4 年1 6 4 ，5 6 8 万吨标准 煤，能源消费量的增速远远大于能源生产量的增速。 表1 1 生产量与消费量一览( 万吨标准煤) 年份 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 能源是经济和社会发展的重要物质基础，随着全球原油价格的持续上涨，新能源的 开发和利用越来越受到重视【l 】。水能、生物质能、风能、太阳能、地热能、海洋能等可 再生能源，资源潜力大，环境污染低，可永续利用，是有利于人与自然和谐发展的重要 能源，因此又被称为“绿色能源”。开发和利用“绿色能源”是解决能源危机的重要途径， 是实现人类可持续发展的“必由之路”。世界上主要的可再生能源发展情况如下： 1 ) 水电水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰， 有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下，世 界各国普遍优先开发水电，大力利用水能资源。水电建设主要集中在发展中国家。 2 ) 生物质能生物质能是世界第四大能源。生物质能资源主要有农作物秸秆、树 木枝桠、畜禽粪便、能源作物( 植物) 、工业有机废水、城市生活污水和垃圾等。具有 风机叶片的强度和刚度优化设计 以下特点：储量大；种类、利用形式多样；节能、环保。 世界每年通过光合作用生成的生物质能约为5 0 亿吨，其中仅1 用作能源，但它已 为全球提供了1 4 的能源。 生物质能利用主要包括生物质能发电和生物燃料。生物质能发电方面，主要是直接 燃烧发电和利用先进的小型燃气轮机联合循环发电。生物燃料是指通过生物资源生产的 石油替代能源，包括生物乙醇、生物柴油、e t b e ( g _ _ , 基叔丁基醚) 、生物气体、生物甲 醇与生物二甲醚。 目前，国外的生物质能技术和装置多已实现了规模化产业经营。美国、瑞典和奥地 利生物质转化为高品位能源利用方面已具有相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗 量的4 、1 6 和1 0 。 3 ) 风能风能的利用主要是风力发电，风电包括离网运行的小型风力发电机组和 大型并网发电机组。前者的技术基本已经成熟，后者的技术也发展迅速。近年来，风力 发电被各国广泛应用。 4 ) 太阳能太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能热发电，以及太阳能热水器和 太阳房等热利用方式。 5 ) 地热能地热能利用包括发电和热利用，两种方式技术均比较成熟。目前开发的 地热资源主要是蒸汽型和热水型两种。全世界地热发电主要在美国、冰岛、意大利等国 家。 6 ) 海洋能近2 0 多年来，世界各主要海洋国家普遍重视海洋能的开发利用。潮 汐能、波浪能等开发利用技术日趋成熟，规模扩大，已达到或接近商业化应用阶段。英 国已具有建造各种规模的潮汐电站的技术力量，并认为是极有潜力的世界市场。温差能 ( o t e c ) 发电被公认为是最具发展潜力的海洋能，小规模开发试验已获成功。海洋能 开发的综合利用受到极大重视，可望在海水淡化、燃料生产、发展养殖业和旅游业、垃 圾填埋、围海垦殖等方面取得明显效益。 1 2 国内外风力发电的现状和发展 近3 0 年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重 大进步。风能发电技术日臻完善，风能发电机单机额定功率最大已达到5 兆瓦，叶轮直 径达到1 2 6 米。2 0 0 6 年、2 0 0 7 年世界累计风电装机及新增装机排名如图1 1 所示。 2 硕士学位论文 d 霸 暖iil 一 悯确 i 遗j【| 目_ 咀，卫阻阻翻缰曩缓 图1 1 世界累计风电装机及新增装机排名 i 0 6 总靛壤l i 0 6 赫绣 i i _ 0 7 总蛀瓠i l固o 掰壤i 从图中可以看出，2 0 0 6 、2 0 0 7 年世界总装机排名德国第一，美国第二，中国居于第 五位。而2 0 0 6 年新增装机量排名美国第一，印度第二，德国和西班牙第三，中国第四； 2 0 0 7 年新增装机量美国第一，西班牙第二，中国第三。美国2 0 0 7 年新增装机量的迅猛 增长应该归功于联邦生产退税，以及华盛顿特区和2 5 个州对于可再生能源的政策支持。 虽然联邦退税到2 0 0 8 年底就该过期了，但是大都认为还会延续。德克萨斯州是美国风 力发电的领头羊，去年生产了美国风电的3 0 ，不过现在有6 个州已经各自上马了超过 1 , 0 0 0 兆瓦的风机项目。 2 0 0 8 年，欧洲的风电已经能够满足4 ，0 0 0 万人生活的需要。欧洲风能协会预计2 0 2 0 年欧洲会有近两亿人完全使用风电，占欧洲人口的一半。北部多风的s c h l e s v d g h o l s t e i n 州现在的目标是在2 0 2 0 年全部的电力都要来自风能，比今年提升3 0 。德国的风电设 备制造业已经取代了汽车制造业和造船业，成为德国第一大钢材用户，近日德国制定了 一个新的风电发展长远规划，设定到2 0 2 5 年风电至少占总用量的2 5 ，到2 0 5 0 年占总 用量的5 0 。 西班牙在2 0 0 7 年欧洲的新装机中位于领先地位，在世界范围的风电总装机中排行 第三。去年估计大约安装了3 , 5 5 2 兆瓦，使得全国的总装机达到了1 5 ，1 4 5 兆瓦，可以满 足西班牙全国电力需求的1 0 。欧洲的其他国家在2 0 0 7 年都经历了风电的显着增长， 法国( 新增8 8 8 兆瓦) ，意大利( 6 0 3 兆瓦) ，葡萄牙( 4 3 4 兆瓦) ，以及英国( 4 2 7 兆瓦) 。 这些国家现在的总装机容量都远超过了2 , 0 0 0 兆瓦。但是英国和葡萄牙的增长却比2 0 0 6 年要缓慢。尽管欧洲( 主要是德国和西班牙) 以及美国现在占有了世界风机总装机量的 7 8 。 3 风机叶片的强度和刚度优化设计 在亚洲，中国的发展迅速，2 0 0 7 年的装机量却站在了美国和西班牙的后面，而总装 机量也排到了世界第五。据估计，中国2 0 0 7 年的装机量为3 , 4 4 9 兆瓦，使这一时刻的总 装机达到了6 , 0 5 0 兆瓦，已经超出了政府2 0 1 0 年的目标。截至2 0 0 9 年底，全国累计风 电装机容量达到2 5 ，8 0 0 兆瓦。中国在2 0 0 9 年成为世界顶级风电市场，装机量达到1 3 7 5 吉瓦，占世界总装机量3 8 吉瓦的1 3 。中国风电工业已经成为中国市场发展的趋势。由 于中国风电装机容量大幅增长的强劲拉动，全球风能市场继续呈现快速增长态势。中国 新增风电装机容量快速超越欧美国家。尽管全球经济仍处于危机之中，但全球风能市场 却实现了3 1 的增长。1 3 的新增风电装机容量来自中国，其1 3 0 亿瓦的新增风电装机 容量超过了欧盟的1 0 5 亿瓦和美国的9 9 亿瓦。中国风电装机总容量连续5 年实现翻番， 连续5 年实现1 0 0 增长，并跻身全球十大风能市场。全球风能委员会主席安洁利卡普 伦表示，2 0 1 0 年，中国风电装机总容量有可能超过德国。印度新安装了1 , 7 3 0 兆瓦，总 装机量大约为8 , 0 0 0 兆瓦，仍居世界第四。其他地区和国家也经历了显着的增长，包括 加拿大( 新增3 8 6 兆瓦) ，新西兰( 1 5 1 兆瓦) ；在拉美，巴西新增了1 6 1 兆瓦，智利则 安装了1 8 兆瓦：在北非，埃及安装了8 0 兆瓦。 过去的一些预测一直在鼓吹着风能工业，例如b t mc o n s d ta p s 咨询公司2 0 0 2 年 曾预计全球的总装机会在2 0 0 7 年会达到8 3 ，0 0 0 兆瓦，可还是比现在已经达到的9 4 ，1 0 0 兆瓦要少很多，并且目前的预测还认为增长要持续很多年。 1 3 世界风机叶片的发展概况 目前，风力发电已进入商业化发展的前期阶段，与之相配套的叶轮技术的发展也十 分迅速【2 】。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。目前各国正加快对风力发电机组的研 究步伐，不断推出新的技术装备。由于风机叶片的尺寸大、外形复杂并且要求精度高、 表面粗糙度低、强度和刚度高、质量分布均匀性好等，使得叶片技术成为制约风力发电 大力发展的瓶颈7 1 。 技术史上第一台叶片泵是早在公元前五世纪葡萄牙人在圣多明哥铜矿中所用的排 水离心泵。这台木质泵的叶轮现陈列于法国国立巴黎博物馆中，该泵叶轮装有双曲率叶 4 硕士学位论文 片。 1 7 0 5 年，法国物理学家德尼斯帕潘制造了适用于提升液体的泵，该泵引用了多叶 片的叶轮，并采用了蜗形体的泵壳。 1 8 9 1 年，丹麦的p o u ll a c o u r 教授首先将气体动力学引入风力机的研究嗍。但此时 空气动力学尚不够准确，故叶片的设计仍不很理想。 在1 9 8 8 年，美国的c h a r l e sf b r u s h 建立了世界上第一个用于发电的风力机，叶片 采取平板设计，故效率较低。 现代风电叶片的研究在2 0 世纪8 0 年代初期起步，研制各种类型的风电叶片： 前西德1 9 5 7 1 9 6 8 年间研究、设计和制造了1 0 1 0 0 千瓦的风力发电机，成功地使 用了复合材料叶片，为复合材料用于制作大型风力发电机叶片奠定了基础。1 9 7 6 年，前 西德设计制造了格鲁威恩( g r o w i a n ) 3 , 0 0 0 千瓦大型风力发电机，风轮直径1 0 0 米，并成功 地用复合材料制作了叶片。 1 9 9 2 1 9 9 9 年欧洲风力发电单机功率从2 0 0 千瓦增至7 0 0 千瓦，叶片长度则从1 2 米增 至2 2 米，2 0 0 0 年功率增至9 0 0 千瓦，叶片长度增至2 5 米。 现代风力机大都采用水平轴转子，叶片多采用轻型玻璃钢纤维强化新材料、三叶片 翼面形状。后来风力机设计者开始采用风轮，由此特殊设计的新型叶片，在美国、瑞典 和丹麦等风能技术发达国家都有各自的叶片系列。其中以瑞典的f f a 2 w 列翼型最具代表 性，f f a 2 w 系列叶片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。 目前世界上生产叶片的3 个顶级公司( 丹麦l m 公司；丹麦a s 公司；德 e n e r c o n ) 占 世界玻璃钢( f r p ) 叶片总产量的8 3 ，其叶片直径也从十几米发展到一百多米。当今， 最大的商用风力涡轮机拥有1 0 4 米翼展，发电功率达0 3 6 万千瓦，足以为1 , 0 0 0 个美国家 庭供电。在2 0 0 6 年2 月，“德国电力系统 公司在汉堡附近，启动了1 台示范风力涡轮机， 发电功率为0 5 万千瓦，其翼展达1 2 6 米。美通用电气公司已设计7 0 米叶片，即1 4 0 米翼展 的风力涡轮机。 新中国建立以前，我国风机制造工业几乎是空白，只有少数几个大城市有一些修配 厂，大部分风机依赖进口。 新中国成立后，风机制造工业获得迅速发展。在第一个五年计划期间，先后建立了 一些专业工厂，开始大量生产风机。1 9 5 8 年后，在沈阳、上海、北京、天津、广州、 重庆、武汉等地又陆续兴建了一批风机制造厂。5 0 年代我国风机行业基本上是采用苏 5 风机叶片的强度和刚度优化设计 联产品或按苏联图纸生产。 6 0 年代我国开始自行设计和仿苏产品的制造，在国务院科学规划委员会机械组的 指导下，分工协作、设计新品种、进行定型与标准化工作，同时迅速采取措施以提高现 有产品质量，大大地促进了我国风机设计制造技术的提高。 7 0 年代我国自行研制了许多风机产品，联合设计水平不断提高，引进国外风机专 利生产技术，消化吸收、试制，使风机产品水平大幅度提高。 8 0 年代，引进国外风机先进技术见成效，使我国的透平压缩机和大型通风机跨入 世界八十年代先进行列。 进入9 0 年代以来，我国风机行业得到更大的发展，风机行业完成的总产值迅速增 长。1 9 9 9 年国家机械工业局系统内6 1 家生产企业不变价工业总产值为2 6 1 4 亿元，出 口交货值1 7 ，5 8 7 万美元，实现销售收入2 5 4 5 亿元。风机的产量和技术基本上满足了国 民经济各部门的需要，有些产品已达到或接近国际先进水平。 1 4 风机原理 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。如图所示： 圉 风能机工作原理 制造风能机械、利用风力发电是风能利用的两项主要内容。风力发电机是一种把风 能变成机械能的能量转化装置。风力发动机由5 部分组成： 6 圈当 图 日 同目 堇 日 硕士学位论文 冀t 1 毛l 毪 钎。* 等 、h l 氆 ll t-t ，” 风机组成示意图 1 ) 风轮。风轮由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的 主要部件。 2 ) 机头。机头是支承风轮轴和上部构件( 如发电机和齿轮变速器等) 的支座，它 能绕塔架中的竖直轴自由转动。 3 ) 机尾。机尾装于机头之后，它的作用是保证在风向变化时，使风轮正对风向。 4 ) 回转体。回转体位于机头底盘和塔架之间，在机尾力矩的作用下转动。 5 ) 塔架。塔架是支撑风力发动机本体的构架，它把风力发动机架设在不受周围障 碍物影响的高空中。 1 5 风机叶片的研究现状 目前国外风机叶片大量采用复合材料制造并向大型化、低成本、高性能、轻量化、 多翼型、柔性化方向发展 9 - 埘。而国内的风机叶片尚处于起步阶段，离高性能叶片的 要求还相距甚远。现有制造并销售叶片的国内厂家主要是天津l m 、中复连众、无锡中 风机叶片的强度和刚度优化设计 公式的最佳条件运行的，完全没有考虑涡流损失等，设计出来的风轮效率不超过4 0 。 后来一些著名的气动学家相继建立了各自的叶片气动理论。s c h m i t z 理论考虑了叶片周 向涡流损失，设计结果相对准确一些。g l a u e r t 理论考虑了风轮后涡流流动，但忽略了 叶片翼型阻力和叶稍损失的影响，对叶片外形影响较小，对风轮效率影响却较大。w i l s o n 在g l a u e r t 理论基础上作了改进，研究了叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并 且研究了风轮在非设计工况下的性能，是目前最常用的设计理论。 叶片结构设计应依据相关设计规范。目前叶片结构设计规范主要建立在i e c 国际标 准和德国g l 标准基础上，要求结构满足静力强度、疲劳强度和叶尖挠度要求。 结构铺层校核对叶片结构设计来说也必不可少。在校核方面，大多用通用商业有限 元软件，比如a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s 等。对叶片进行校核时，考虑单层的极 限强度、自振频率和叶尖挠度，分析模型有壳模型和梁模型等，并且能够做到这两种模 型的相互转换。与其他叶片结构相比，目前大型叶片的中空夹芯结构具有很高的抗屈曲 失稳能力，较高的自振频率，这样设计出来的叶片相对较轻。有限元法可用于设计，但 更多用于模拟分析而不是设计，设计与模拟必须交叉进行，在每一步设计完成后，必须 更新分析模型，重新得到铺层中的应力和应变数据，再返回设计，更改铺层方案，再分 析应力和变形等，直到满足设计标准为止。因为复合材料正交各向异性的特殊性，叶片 各铺层内的应力并不连续，而应变则相对连续，所以叶片结构校核的失效准则有时候完 全采用应变失效准则。 丹麦l m 公司提出了“f u t u r eb l a d e ”的概念，且已在其5 4 米和6 1 5 米巨型叶片上 使用了这种设计概念。l m 公司研发部经理f r a n kv n i e l s e n 认为未来叶片设计的关键己 从效率最大化转移到能量成本( c o e ) 最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会 降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化，材料成本将会降低，产品质量将更加得到保证。 2 0 0 7 年三月，美国k n i g h t & c a r v e r 的风电叶片公司成功开发了一种新型叶片s t a r b l a d e 。这种具有创新性的叶片不同于当前使用的绝大部分叶片，是专门针对低风速区 域设计的。这种叶片叶尖采用“柔性”设计理念进行设计，在外形上与传统叶片后缘线 性变化不同，逐渐向后缘弯曲，降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并最大限度捕获所 有可用风速范围内的风能，包括边缘的低风速区域，比传统的叶片捕风能力提高了5 1 0 。第一片该种叶片已经进行了静力测试，年内还将生产第二片。 国内材科技风电叶片股份有限公司研制的1 5 兆瓦s i n o m a4 0 2 米叶片已经成功下 线，并在今年7 月份通过了静力测试。该叶片采用新的“柔性、预弯 设计技术，针对 国内风况设计，叶尖部分向上风向弯曲，叶片细长，柔性好，其整机载荷低于同类3 7 5 8 硕士学位论文 米1 5 兆瓦的叶片【1 3 1 。 王璋奇【1 卅等人以某等直叶片为研究对象，将确定性有限元、b p 神经网络响应面和 f o r m 方法相结合，选用非线性s 型函数作为b p 网络隐层激励函数，利用其一阶导数为 自身函数的性质，推导了功能函数对各随机变量的一阶偏导数，进而采用f o r m 方法获 得了叶片最有可能失效点及其失效概率，完成了对叶片的强度可靠性分析。此文所提方 法可进一步探讨。 李嵩【1 5 】等人利用舢g o r 程序的有限元方法，对两个模型轴流通风机的叶轮强度进行 分析，对叶轮应力和应变分布进行了详细讨论。将有限元计算结果与常用的工程方法计 算结果进行了比较，计算中不仅考虑了离心载荷，而且还考虑了由三维流场计算所得的 气动载荷。计算结果表明：有限元计算所得最大应力比工程方法所得的要大，危险点在 叶根前缘处。本结果对轴流通风机设计具有一定的参考价值。 王琪【1 6 】等利用三维坐标仪，对一空间叶片进行了定位测量，计算出各截面的主要参 数，根据叶片的受力特点，对叶片进行强度校核并对结果进行了理论分析如图1 - 4 。 1 2 l o 8 壹5 吾4 1 2 n l o 0 主5 莓 3 图1 测量定位示意图 埔 ： fi 。矗 ： ： a 鼍- 2 6 ： n 飞j 勘j l j 图3 弯曲应力沿叶高分布 分析各应力曲线可得出以下结论： 1 ) 离心拉伸应力沿叶高的变化为： 拉伸应力是均匀的。 图2 离心拉伸应力沿叶高分布 ： 气抽 砉： l 图4 总应力沿叶高分布 叶尖最小，叶根最大，在同一截面上各点离心 2 ) 气动弯曲应力及离心拉伸应力在同一截面上各点的分布不同。靠近叶根处应力 9 风机叶片的强度和刚度优化设计 为 。 3 ) 最大总应力分布在距叶根2 5 处，因而此处安全系数最小。 4 ) 比较叶片最大总应力与叶片材料许用应力，即可得出叶片强度校核结果。 1 6 本文研究内容 叶片是风力发电机的一个主要零件，它把风力机与其它机械区分开来，并作为风力 发机的“呼吸中心起着重要作用。叶片长度决定了风力机能从风中获取多少能量，这 是因为它影响着叶轮的扫掠面积。 风轮叶片的优化设计要满足一定的设计标准：年输出功率最大化；最大功率限制输 出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；保证叶片结构局部和整体稳定性； 叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求。 现在设计叶片时大都选择已有的翼型，翼型根据使用情况可以分为传统翼型和风力 机专用翼型。传统翼型即航空翼型，主要为飞行器而研制的；风力机专用翼型是专门为 的风力发电机叶片设计的翼型，具有更好的气动性能。实际上风力机叶片的设计是一个 非常复杂的过程，其翼型是沿叶展方向不断变化的。 风力机翼型对风力机性能有很大的影响。长期以来，风力机翼型主要选自航空翼型， 如n a c a 4 4 系列，n a c a 6 3 2 系列翼型等。风机叶片的翼型是叶片在其展长方向上某一 位面的轮廓线，翼型一般是瘦长形状，其前部较厚且有小圆弧状的前缘，而其后部较薄 且有一较尖的后缘【1 7 ，1 8 1 。翼型有不同的形状和大小，取决于你在校核的是叶片的哪一部 分。叶尖的翼型和离叶尖1 0 米或离叶根1 0 米处的翼型不同。在沿叶片每个地方，设计翼 型使叶片对于在此处的速度和迎风最终攻角最具效率【1 9 1 。 本课题采用n a c a 系列翼型研究叶片建模方法和控制参数的改变对叶片形状的影 响，采用a n s y s 建模研究方法，研究叶片在各种工况下的强度和刚度，进而优化叶片参 数达到优化叶片模型的目的。具体内容如下： 1 ) 在有限单元法的理论下，根据已有的叶片翼型，利用大型通用有限元软件a n s y s 建立叶片的有限元模型，采用壳体单元s h e l l 6 3 对模型进行离散化，对建好的有限元模 型施加工况条件，进行结构分析，本文为静态分析； 2 ) 计算出叶片所受的气动力、惯性力及重力，分别以三种不同的组合方式加在叶片 上。在三类工况下，施加不同组合方式的载荷在叶片上，对建好的叶片模型进行结构静 力分析： 1 0 这是1 9 2 1 年在德国哥丁根研制的翼型。 3 ) b 1 4 r q v i 翼型 这是前苏联水力机械研究所专门为水力机械研究的翼型。 4 ) r a f _ - 6 翼型( 英国翼型) 5 ) 圆弧翼型 6 ) 7 9 1 翼型 考状态为物体变形前的状态，并取参考位置的势能为零，则弹性体的总势能可以看成是 从物体的己变形状态回复到参考状态过程中，物体对外界所做的总功。 最小势能原理设位移分量蚝、应变分量和应力分量分别为给定弹性体平衡问 题的解，并设和为可能位移”：和可能应变s ：，则在一切可能位移甜： 中，真实的位移使 弹性体的总势能兀取最小值，即 铘：0，6 2 n 0( 2 2 ) 2 2 最小余能原理 我们继续考察上面的同一弹性体的平衡问题。不过，以上是以位移蚝为变分宗量建 立了弹性体平衡问题的能量泛函n k ，】，这里，我们将以应力为变分宗量来建立弹性 1 2 硕士学位论文 体平衡问题的另一种泛函r b l ，j ，称为弹性体的总余能，它定义为 r = 肛c d v - 肛磊谬 矿 & 式中，wc = w cg 妒) 为余应变能密度， ( 2 3 ) 它是应力分量的函数。因而眇c d y 表示弹 矿 性体的余应变能，而r hj 中的第二个积分表示鼠上的弹性反力置在真实位移上所做的 功，称上式中的第二项( 包括负号) 为已知边界位移的余能，其中，五= 0 驴n j 。 最小余能原理设和矿：分别为给定弹性体平衡问题的真实应力状态和可能应力 状态，则在一切可能的应力状态盯；中，真实的应力状态使弹性体的总余能r 取最小 值，即 o t = o，6 2 r 0 ( 2 4 ) 最小总势能原理和最小总余能原理是弹性力学直接方法和有限元方法的重要理论 基础【2 1 1 。 2 3 叶片的有限元模型 2 3 1 叶片设计步骤嘲 躲耙1 煅如j ，2 裔虢腕麒蜘帖强一札 n y 风机叶片比转速； 垡矿_ 风机流量； p 风机全压，单位为p a ； p 工作介质的密度； 1 3 风机叶片的强度和刚度优化设计 2 1 风机叶型选择 比转速刀y2 7 1 2 3 6 - 1 6 1 6 - - 1 71 8 - - - 3 6 j 一 叶片型式 前弯叶片后弯叶片双吸入或并轴流式 离心风机离心风机联离心风机风机 2 ) 初步选取叶片出口安装角色，和计算叶轮外径岛 令 ；2 彘 ( 2 5 ) 式中：p 全压系数； k 。叶轮圆周速度，单位为m s 。 图2 1 为根据统计资料所绘制成的伞乐系数与叶轮叶片出1 2 1 角间的关系曲线；表2 2 列出全压系数与叶型之间的大致关系。 万 ，c j ， 、 、 t i 、 1 0 。 、 、 、 o 0 5 一卜 、 、 、 由图2 式计算： 图2 1 全压系数与叶轮叶片出口角间的关系曲线 表2 2 叶型与全压系数p 全压系数；0 3 0 4 0 4 - 0 60 6 0 7 0 7 , - - - 1 2 叶型强后弯叶片后弯叶片 径向叶片前弯叶片 1 和表2 2 确定叶轮叶片出口角厦y ，然后查取；值，则风机叶轮外径d 2 由下 3 2 ：竺k 。：竺，怪 ( 2 - 6 ) , 7 7 、ip p 硕士学位论文 3 ) 确定叶片进口直径d l 令流量系数巩5 丧2 硒q v ，贝i j ： 46 0 q v = 2 4 3 2 面q v 式中：劬风机流量，单位为m 3 s 或m 3 h ； ( 2 7 ) 根据叶轮流道内损失最小原则，由下式计算叶片进口直径4 ： d 1 1 1 9 4 痂 ( 2 8 ) 此式适用于后弯、径向和石矿 o 3 的前弯叶轮其值偏大， 可在m m 2 = o 8 0 o 9 5 范围内选取。 4 ) 确定叶轮进口直径d 。的尺寸 考虑流动分离的影响，一般要求叶片进口处稍有加速，故取 旦：1 o 1 0 5 5 ) 确定叶轮叶片数z 5 两 眩” 6 ) 确定叶片进出口宽度6 l 和b ： 叶片出口宽度6 ，由下式计算： 驴螽 q - l 式中：矿：一叶片出口排挤系数，y ：= 1 一酉z s u 2 = l 一蕊z s 2 ，其慨是叶片在出 口处的圆周厚度，s 2 是叶片出口处的实际厚度； 1 5 值时，可选 6 0 。时， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 是叶片在进 f t i 。叶片进口速度在圆周方向的分量，计算时，先选择进口排挤系数求 得届y 后再行验算。 叶片入口安装角属，通常由下式修正： p i y = p l + p ( 2 1 4 ) 硕士学位论文 等，其断面形状都是机翼形。 机翼的形状如图2 2 所示圈。图中，称为翼弦长度，b 称为翼展，a = l b 称为展弦 比。如机翼的翼弦长度不是定值时，求展弦比可用翼弦长度的平均值。根据展弦比的不 同，可把机翼分为两种：一为有限展翼比机翼，或称有限翼展机翼，如图2 2 ( a ) 所示； 另一种为无限展弦比机翼，或称无限翼展机翼，其翼展长度为无限大，如图2 2 ( b ) 所示。 当然翼展不可能无限长，如果机翼的两端是固体壁，例如轴流泵等的风轮叶片，就可看 作是无限翼展机翼。 前缘 后量 ( a jb ) 图2 2 机翼图2 3 翼型 。 垂直于翼展重心轴线的机翼剖面称为翼型或翼型剖面。如图2 3 所示。 1 ) 翼弦长度 连接翼型前、后缘点的直线长度称为翼型长度。 2 ) 翼型厚度y 在垂直于翼弦方向上，翼型上下表面之间的各线段长度，称为翼型厚度，其中最大 的厚度以表示，最大厚度与翼弦的比值y 一l 称为最大相对厚度。从前缘点至翼弦 上相应于最大厚度一点以b 表示，其相对值x ，l 称为最大相对厚度。 3 ) 翼型中线 翼型上下表面之间表示翼型厚度各垂直线的中点连线，称为翼型中线，或称为翼型 骨线。 4 ) 翼型弯度h 翼型骨线至翼弦的距离，称为翼型弯度或翼型拱度。最大弯度与弦长z 的比值 称为最大相对弯度。从前缘点至翼弦上最大弯度点的距离以表示，其相对值以l 表 示。 5 ) 攻角万 1 7 风机叶片的强度和刚度优化设计 翼弦与来流方向的夹角。 2 4 叶片载荷计算 2 4 1 本文施加载荷 由于风力发电机在运行过程中受力情况非常复杂，计算中通常只选取特定载荷计 算，如气动力载荷、重力载荷、惯性力载荷、脉冲力载荷等。 本文所要研究的作用在风力机上的载荷主要包括：空气动力载荷( 升力和阻力) 、 重力载荷、惯性力载荷 2 3 , 2 4 1 。 2 4 2 载荷工况卿7 3 本文考虑三类工况： 1 考虑挥舞方向和摆振方向的重力载荷与弯矩； 2 考虑气动力( 升力和阻力) 载荷、重力载荷以及惯性力载荷； 3 只考虑重力载荷。 2 4 3 叶片上的载荷 作用在叶片上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是各个零部件载荷的主要 来源，其载荷主要包括挥舞方向和摆振方向的剪力与弯矩，以及变桨距时与变桨距力矩 平衡的叶片俯仰力矩。叶片上的气动载荷可以根据动量一叶素理论计算。 本文在加载过程中，我们考虑的空气动力主要有升力和阻力。具体计算公式如下： t f 7 2 升力：= c l p 子4 ( 2 1 5 ) 阻力：乞= j d 詈a ( 2 1 6 ) 式中：q 翼型的升力系数； 翼型的阻力系数； 屹不受外界因素影响的液流相对速度的几何平均值； a _ 一翼型的最大投影面面积； p 空气密度，本文取值1 2 7 k g m 3 。 1 8 硕士学位论文 叶片在转动过程中始终承受着重力载荷的作用，在模型中将重力载荷加载在肪向。 离心力载荷方向总是沿着叶片展向向外，在模型中将离心力载荷加载在功向。 把叶片看作根部固定的悬臂梁，叶片各截面重心连线为空间曲线，它在外力作用下 发生的变形可忽略不计，且仅计算叶片上由离心符合引起的拉伸应力和弯曲应力以及动 力( 气动力) 引起的弯曲应力【1 6 1 。 1 ) 离心拉伸应力 = i 1 1 胛2 ( 置_ 1 2 - r 2 , ) + 咋离】 ( 2 1 7 ) 式中：p 叶片密度；彩叶片旋转角速度； r - 截面半径；卜叶片截面面积 2 ) 气动弯曲应力 轴向气动力： v 0 - 丝 ( 圪0 2 t 2 - k 口z 乃) + g ( p 2 一号) 】 ( 2 1 8 ) 圪：i 争 i = l ，2 ，3 2 万如岛 圪进出口边的轴面速度； 留订理论流量； 心，进口边处的轴面流体过断面形成线的质量中心半径5 6 l 上述形成线的长度； ( 2 1 9 ) 叫 挤系数，= 1 一蠢( r 叶片数，圆周厚度，其中，心，岛，& 已知) 。 周向气动力： ：三坐( k 口k 。乃一k 。k 。托) ( 2 2 0 ) 圪= 等 i = l ，2 ，3 ( 2 2 1 ) 1 9 式中：艺截