4586-DDL型叶片结构与工艺设计—DDL型叶片结构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4586-DDL型叶片结构与工艺设计—DDL型叶片结构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,ddl,叶片,结构,工艺,设计,结构设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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周次 起止日期 工作计划、进度 每周主要完成内容 存在问题、改进方法 指导教师意见并签字 备 注11月 7日 1月 27日教师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告。按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书存在问题：对课题理解程度不够，对其难点分析不够，分析能力欠缺。改进方法：在指导老师的帮助下，对课题有较深的了解。4012年 11月 28日 1日 指导专业实训 机械设计综合实训 存在问题：机械部件设计不够完善，缺少经验。改进方法：了解机械设计的详细过程。9013年 1月 9日 2日 指导毕业实习 相关机械制造厂实习，了解本专业的实践知识 存在问题：没有实习实训的经验，无法将课本知融会贯通。改进方法：认真参与工作，虚心求教。11 2013年 2月 13日 7日 查阅参考资料 查阅与设计有关的参考资料不少于10篇，其中外文不少于5篇存在问题：查阅资料相关度小，无法满足要求。改进方法：利用空余时间，去图书馆查找相关资料，在网上查找相关文献。12 2013年 2月 20日 4日 翻译外文资料 翻译机械方面的外文资料存在问题：专业英文水平较低，无法正确翻译专业词汇。改进方法：借助一些翻译软件、专业字典帮助翻译提高翻译准确性性。13 2013年 2月 27日 日 国内外发展情况 通过查阅大量的资料，了解叶片在国内外的发展状况 存在问题：叶片国内外的发展状况的相关资料比较少。改进方法：走访调查各个叶片厂家，并作相关记录。14 2013年 3月 5日 日 本课题的研究内容及意义 构思论文的结构、主研究对象和产生的意义存在问题：整个结构大致框架的设计以解决，但内容细节部分的表述还不够清楚。改进方法：求教指导老师，请老师知道文章的具体结构框架的设计。15 2013年 3月 12日 6日 一般叶片的载荷分析计算 各种载荷的计算 存在问题：计算比较复杂改进方法：去图书馆查阅相关资料16 2013年 3月 19日 3日 叶片剖面的结构设计 了解各种叶片的剖面结构，选择性价比较高且能实现预期结果剖面结构 存在问题：部分剖面的结构比较复杂，难以取舍。改进方法：详细阅读说明书，综合比较，选出最佳剖面结构存档编码：无锡太湖学院 2013 届毕业作业周次进度计划、检查落实表系别：信机系 班级：机械 94 学生姓名：邵亦飞 课题（设计）名称： 开始日期： 2012年 11月 12日周次 起止日期 工作计划、进度 每周主要完成内容 存在问题、改进方法 指导教师意见并签字 备 注17 2013年 3月 26日 0日 绘制叶片结构图 绘制叶片结构图和叶根结构图 存在问题：标注尺寸不全，无图纸标号。改进方法：检查标注，补全图号。18 2013年 4月 2日 日 叶片的铺层设计 对叶片进行等强度布置 存在问题：叶身设计没能进行等强度布置。改进方法：求教指导老师，请老师指正。19 2013年 4月 9日 3日 叶片的强度和变形计算 查阅资料进行计算 存在问题：对这种材料力学的计算不熟悉。改进方法：查阅资料及所学课本，完成图形地绘制。20月 16日 0日 叶片根端连接设计 了解各种根端的连接设计 存在问题：涉及到配合方面的问题不是很熟悉。改进方法：和同学进行讨论，不懂得多问老师。22 2013年 4月 30日 日 设计说明书（论文）、摘要和小结编写 完成设计说明书（论文）、摘要和小结存在问题：说明书的格式不规范，摘要不合理要求等。改进方法：根据毕业设计的规范要求更改，重新按要求编写摘要。23 2013年 5月 7日 1日 修改设计说明书（论文）格式 修改设计说明书开题报告格式 存在问题：附录格式不规范，摘要英文不合理要求等。改进方法：根据毕业设计的规范要求更改。24 2013年 5月 14日 8日 上交资料、准备答辩 整理所有资料，打印后上交，准备答辩 按学院要求整理并装订25 2013年 5月 21日 5日 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 相 关 资 料 题目： 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923191 学生姓名： 邵亦飞 指导教师： 宋广雷 （职称： 副教授 ） 2013年 5月 25日 目 录 一、毕业设计（论文）开题报告 二、毕业设计（论文）外文资 料翻译及原文 三、学生 “毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表 ” 四、实习鉴定表 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 开 题 报 告 题目： 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923191 学生姓名： 邵亦飞 指导教师： 宋广雷 （职称： 副 教授 ） 2012年 11月 12日 课题来源 实验室课题 科学依据 （包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等） （ 1）课题科学意义 叶片结构 设计 是风力机设计工作的一项重要环节 ,特别是对于大中型风力机其意义更为重大 风力机经常运行于海边或偏僻的山顶野外 ,环境严酷 在我国某些地区运行的风力发电机组要承受更恶劣的环境条件 ,如东南沿海地区经常发生台风 ,中国北方冬季的低温等等 目前我国运行的风力机依然主要从国外进口 ,这些风力机不完全适应于我国的气候条件 ,以至于风电设备损坏和故障 时有发 生 ,这就要求我们必须对风力机叶片进行结构分析 ,找出其最易损坏的部位 ,为设计提供一种依据 ,从而不断改进叶片适应不同环境的能力因此 ,本课题的研究将对国产化风力发电机组自主设计开发工作起到一定作用 。 （ 2） 叶片结构设计的研究现状和发展前景 目前 ,国内对风力机叶片结构设计的研究相对较少 ， 基本 的研究 都是将叶片当作悬臂梁来进行应力 、 应变 、 变形等计算 ,来验证叶片设计的合理性 ,由于是按照经典理论进行计算 ,因此计算十分繁琐 ,而且所做的简化过多 ,一定程度上影响叶片的设计质量 对风力机 主要是对叶片的动 力学分析 ,而叶片动力学分析集中在模态计算而很少对叶片进行稳定性分析 (屈曲分析 )。 根据可再生能源中长期发展规划 (2010 一 2020 年 ),我国将通过大规模的风电开发和建设 ,促进风电技术进步和产业发展 ,实现风电设备制造自主化 ,尽快使风电具有市场竞争力 在经济发达的沿海地区 ,发挥其经济优势 ,在三北 (西北、华北北部和东北 )地区发挥其资源优势 ,建设大型和特大型风电场 ,在其他地区 ,因地制宜地发展中小型风电场 ,充分利用各地的风能资源。 研究内容 在已有气动设计数据的基础上 ,对某风力机叶片进行了详细的结构 设计 ,包括载荷的计算 、 材料的选用 、 结构形式的确 、 铺层设计等 ； 讨叶片有限元模型的建立方法 ,利用各截面翼型数据 ,借助参数化语启一程序实现几何模型的建立 !复合材料铺层的模拟以及划分网格建立有限元模型 ； 在对叶片进行前处理的基础上 ,本文将根据有限元分析理论进行叶片的强度 、 刚度 、模态和稳定性分析 ,得到其应力 、 应变 、 振型 、 频率等相关参数 ,校核其是否满足设计要求 ； 叶片的动力学分析 本文基于气动弹性理论 ,通过动力学基本方程的建立 ,利用限元 分析软件对叶片进行振动模态分析 ,可以很容易得到叶片的多阶固有频率和振型 ,结合叶片断裂的问题分析 ,为叶片的结构设计提供了参考依据。 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 （ 1）实验方案 考虑叶片实际连接情况 ,将其视为刚性连接 ,对叶片根部采用全约束简化为悬臂梁进行强度和刚度分析 考虑到叶片模型为壳体结构 ,通过将计算的弯矩载荷等效为线性分布力载荷的方案进行加载 ,最终进行叶片强度和刚度分析 通过分析发现其叶尖位移变形最大 ,叶根应力最大 ,但均未超过极限值 , 设计符合要求 （ 2）研究方法 在载荷计算和加载过程中 ,通过软件模拟风况与实际风况具有一定差别 ,加载方式采用将计算弯矩等效为线性载荷的方式施加于有限元模型上 , 大变形等非线性因素的影响 。 研究计划及预期成果 研究计划： 2012 年 10 月 13 日 12 月 20 日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。 2013 年 1 月 11 日 3 月 5 日：填写毕业实 习报告。 2013 年 3 月 7 日 3 月 15 日：按照要求修改毕业设计开题报告。 2013 年 3 月 17 日 3 月 21 日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。 2013 年 3 月 22 日 4 月 11 日： 叶片载荷工况计算 。 2013 年 4 月 12 日 4 月 25 日： 叶片铺层设计 。 2013 年 4 月 26 日 5 月 21 日：毕业论文撰写和修改工作。 预期成果： 对风力机风轮叶片结构设计方法的分析研究 ,得出了通过有限元分析软件进行优化铺层的设计分析方法 ，并且本文首次将有限元屈曲分析方法用于风力机叶 片稳定性分析计算中 ,并取得了一定效果 ,同时采用命令流的方式进行叶片的屈曲分析 ,提高了效率 为今后这方面的工作起了抛砖引玉的作用。 特色或创新之处 综合国内外多种文献 ,整理现有叶片模型基础上 ,对叶片的制造工艺发展进行了总结 ,根据所选材料的不同对叶片进行了分类 ,特别分析了叶片剖面的结构 。 考虑叶片实际连接情况 ,将其视为刚性连接 ,对叶片根部采用全约束简化为悬臂梁 进行强度和刚度分析 考虑到叶片模型为壳体结构 ,通过将计算的弯矩载荷等效为线性分布力载荷的方案进行加载 ,最终进行叶片强度和刚度分析。 已具备的条件和尚需解决的问题 对叶片进行强度和刚度分析时 ,可对更多载荷工况的组合进行分析 ,比较不同因素对叶片应力 、 应变的影响 ,更好地对设计提供理论依据 本文只是针对单叶片进行了模态分析 ,待整个风轮甚至整个风力机结构设计完整后 ,应该进一步得到风轮的模态振型 ,其他关键机构的动力学分析 ,这样可以分析整个系统的共振情况且得到的结果更接近实际 。 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日 系意见 主管领导签名： 年 月 日 英文原文 is an of is to of by of of to to to is a to of of to of 0% % is to is as a of in in 0 of is s 000, of of to TM 005 1407t, 3253MW an 0%; a 2000000000 4000000000 by 005, s 92634%9 at 8 of to of of on is of is by of of an in of on is on of of so in of is c on is of of on of to to of to at is to of is a ! Of to of on of of of of to of In to to of of is in to to in of by of of is of is of is in of of to of of is on of of to a Y FX in on to of in of of of to by of to in a in of be is to as it FD to by of is it is as of by to no is a of of of on at to to of in of is on 351, is on in of of of on of of a of of of i n up a of of of of of of on of of of on of by of to at be is of 4s, or of if of of of of on of to in on to to of to RP of W, to as in or at is an or by a to is in is of of is is a of of by in by TM of of to is in of to of to of is to in MW a of of of of to as of of of in of in to at TM is in 中文译文 叶片结构与工艺设计 能源是经济和社会发展的重要物质基础 。 社会工业化以来 ,世界能源消费剧增 ,煤炭 、 石油 、天然气等化石能源资源消耗迅速 ,生态环境不断恶化 ,特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化 ,人类社会的可持续发展受到严重威胁 。 随着人类社会的发展 、 科技的进步以及日益严重的资源和环境问题的挑战 ,世界能源结构开始经历第三次大的变革 ,即从煤炭 、 石油 、天然气为主的能源系统 ,开始转向以可再生能源为基础的能源系统 。 风能是一种清洁的可再生能源 据世界气象组织 (析 ,全球总风能为 3中可利用的风能为 2因此 ,开发和利用风能资源 ,不仅可以寻找新的替代能源 ,而且有利于环境保护 地球接 受的太阳辐射能大约有 20%转化成风能 ,全球风能总量如果 1%用来发电 ,就能满足全部能源消耗 风能是地球与生俱来的资源 ,作为可再生的绿色能源 ,凭借其巨大的商业潜力和环保效益 ,在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快增速 在过去的 10 年间 ,风电发展不断超越其预期的发展速度 ,而且一直保持着世界增长最快的能源的地位 2000年以来 ,全球风电装机容量年平均增长率为 根据丹麦 告 ,2005 年全世界新增风电装机容量 11407MW,t 比 上年增加了 3253长了 40%;新增风电总投资达 120 亿欧元至 140 亿欧元 截至 2005 年底 ,世界风电装机容量为 59263比上年增长 24%9目前 ,己有 48个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规 ,政策法规对风电发展起到了至关重要的作用 风力机叶片是风力机中最基础和最关键的部件 ,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 从这一层面上讲风轮叶片的设计在风力发电机组中占有不可估量的地位 。 风力机叶片设计根据不同的理论及其修正理论有许多设计计算方法目前主要有 :贝茨理论 , 其中简化设计理论是基于圆盘理论 ,原理及模型最简单 ,但因简化因素较多 ,故设计精度较差 ,在设计小型风力机是可以采用 ; 论 、 型和 型基于涡流理论 ,设计精度相对较高 ,适合于设计大型风力机 ;现在设计多采用基于涡流理论的设计模型 如 论考虑了风轮后涡流流动的叶素理论 ,但忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的影响 ;论对论作了改进 ,研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性能的影响 ,还研究了风轮在非设计状态的性能 ,因而 ,该理论广泛用于叶片气动性能的计算 . 风力机设计是一门综合技术 ,涉及到空气动力学 !结构动力学 !气象学 !机电工程 !自动控制 !计算机等专业技术 我国对风力机设计技术主要进行了风力机空气动力设计和计算方法 ,风力机结构动力计算和分析方法 ,风力机玻璃钢叶片设计方法 ,风力机变速恒频技术 ,风力机自动控制技术 ,风力机调 (限 )速特性 ,风力机调向特性 ,风力机计算机辅助设计和软件包开发等研究工作 ,取得了较快的进展 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 . 随着风力机的发展 ,叶片的研究主要是集中在叶片翼型的研制和结构分析 其中叶轮叶片在满足空气动力学的基础上已设计出 Y 型 、 、 、 双羽型叶片 在国内 ,风力机翼型最有代表性的是 列 由于缺乏风力机专用新翼型的几何参数和气动性能参数 ,这也直接影响了我国大型风力机气动设计水平对于翼型研制方面 ,近十几年来 ,随着计算流体力学 (平的提高 ,各种叶片几何优化的方法开始出现 ,采用数值计算方法 ,各截面气动参数的准确确定 实现在一定输出功率下的最佳叶片的几何形状和气动设计 气动设计的新方法可分为两大类 :一类是直接数值优化方法 ,简称为最优化 设计方法 ,它将 最优化方法结合起来 ,通过几何形状的不断修正来寻求目标函数的极值 另一类是反设计方法 ,它是首先给定希望达到的气动状态 (如压力分布 ),通过 几何和流动的控制方程 ,逐步逼近给定的气动状态 ,求得满足给定流场的气动翼型 ,它克服了传统翼型设计方法的许多缺点 。 结构分析中 ,主要包括了动力特性的分析 ,稳定性分析 ,疲劳分析 叶片气动特性分析计算大都采用类似直升机机翼的经典方法 ,考虑面外挥舞 !面内摆振和扭转模态的组合 导了没有预锥的扭转非均匀桨叶的挥舞一扭转自由度祸合微分运动方程川 某些非线性项对气动弹性的影响是很重要的 ,国内外研究者根据一定的物理假设对这个复杂的物理问题进行简化 ,发展了许多简化解法的工程模型 ,推导了含有非线 性项的运动方程导了适用于风轮桨叶的气动载荷 ,用非祸合的非旋转模态研究了其气动弹性稳定性问题 351,K用非祸合的旋转模态对该问题进行了研究 ,在计算过程中 ,忽略了叶片和塔架的祸合效应 ,对非线性方程进行线化处理 ,得出了风力机叶片的静态响应及其稳定性边界 ,与试验结果相比偏于保守 。 用半刚性模型研究风轮的气动弹性稳定性问题 非线性半刚性模型研究了桨叶气动弹性响应和稳定性问题李本立和安玉华建立风力机转子叶片的非线性运动方程 ,采用模态法 求解挥舞 !摆振 !扭转微分方程并应用了数值结果对风力机的气动弹性稳定性进行了分析 。 曹人靖 !刘冥建立了基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型 ,综合考虑了风力机风轮的气动与结构参数对气动弹性稳定性的影响 从制作叶片的工艺上讲 ,目前的大 !中型风机叶片基本上采用蒙皮与主梁的构造形式 ,通过多步成型工艺制备 ,即先分别制作叶片的上 !下外壳和龙骨梁 (腹板 )后 ,再粘成一体 由于粘接处的强度远低于壳体本身的强度 ,使叶壳性能得不到充分发挥 ,类似开口薄壁梁远不及闭口薄壁梁的承载能力 单腹板 支撑的叶壳易发生失稳破坏 4s,多个梁或腹板则须增添更多模具 这无疑会增加成本 ,降低叶片的利用率 因此 ,如果采用整体一次成型制备中空叶片 ,可有效减轻重量 ,降低成本 ,提高叶片的整体力学性能 、 这就需要对这种新型叶片结构进行极限分析并在此基础上实现合理设计 ,因为传统叶片以龙骨梁 (腹板 )为主承力件 。 大型风力机叶片大多采用组装方式制造 ,分别在两个阴模上成型叶片蒙皮 ,分别在专用模具上成型主梁及其他玻璃钢部件 ,然后在主模具上把两个蒙皮 !主梁及其它部件胶接组装在一起 ,合模加压固化后形成整体叶片 片的成型工 艺大致有 :手糊工艺 !真空辅助注射 !树脂传递模塑 (渍工艺 !纤维缠绕艺 纤维铺放工艺 (木纤维环氧饱和工艺 (模压工艺 ,这些方法各有侧重 。 手糊工艺 :属于传统叶片成型工艺 ,也称作湿法成型 ,将纤维基材铺设放在单模中 ,然后用滚或毛刷涂覆玻璃布和树脂 ,常温固化后脱膜 ,该法以手工劳动为主 ,成本低 ,用于低成本 !形状复杂制品 干法成型属于新兴技术 ,先将纤维制成浸料 ,现场铺放 ,加温 (或常温 )加压固化 ,其生产效率高 ,由丹麦的 司首创并大量应用 树脂传递模塑 (属于 最新发展的叶片成型方法 ,将纤维预成型体置于模腔中 ,注入树脂后加温成型 该法是目前世界上公认的低成本制造方法 ,发展迅速 ,应用广泛 ,并衍生出多种方法 ,主要有生产大型叶片用的 真空辅助灌注技术是近几年由 应用真空 ,以高渗透率介质作引导将树脂注入结构铺层中 ,多用于形状复杂的大型制品 国外在成型大型玻璃钢产品中有所应用 ,在我国 ,由于受到市场 、 技术 、材料 !资金等方面的限制和影响 ,复合材料叶片制造厂家多采用湿法手糊工艺 ,该工艺己难以实现兆瓦级大型风力机叶片 ,是解决这一问题的新型工艺 上海玻璃钢研究院在研制 力机叶片时采用该工艺 ,通过多次试验 ,摸索解决了布管方式 、 真空度控制 、 树脂选择 、 铺层皱折等一系列技术问题 ,使叶片成型工艺技 编号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923191 学生姓名： 邵亦飞 指导教师： 宋广雷 （职称： 副 教授 ） 2013年 5月 25日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明： 所呈交的毕业设计（论文） 叶片结构与工艺设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923191 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 2、专题 二、课题来源及选题依据 近年来，能源危机越来越引起人们的重视，能源短缺使得可再生能源得到空前发展，风能作为取之不尽 用之不竭的可再生能源在近几年得到了空前发展，世界上不少国家都把开发风能作为一项能源政策。我国作为能源消费大国，近年来因为政府的支持风电行业得到迅速发展，但我国的风电技术与风电发达国家比差距甚大，大功率的风电设备技术基本依赖进口，作为风电机组关键部件之一的叶片也是如此，叶片结构设计的好坏直接影响到风能转换的效率。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 了解国内外风力发展现状及叶片制造技术发展； 了解叶片空气动力学受力特点及一系列的载荷分析 熟练掌握制造叶片的各种材料的特性和优异 了解叶片与轮毂之间的各种配合关系 、接受任务学生： 机械 94 班 姓名 邵亦飞 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 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 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 录 摘 要 . V . 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 结论与展望 . 26 论 . 26 望 . 26 致谢 . 27 参考文献 . 28 叶片结构与工艺设计 叶片结构设计 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，他们认为当叶片太湖学院学士学位论文 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 。 叶片结构与工艺设计 叶片结构设计 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。 太湖学院学士学位论文 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。 叶片结构与工艺设计 叶片结构设计 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 太湖学院学士学位论文 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 （ 叶片结构与工艺设计 叶片结构设计 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： 太湖学院学士学位论文 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，结叶片结构与工艺设计 叶片结构设计 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太湖学院学士学位论文 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
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