兆瓦级风力发电机风轮叶片设计与改进

题目：兆瓦级风力发电机风轮叶片设计及改进目录摘要 3Abstract 4第1章绪论 61.1课题研究的背景 61.2国内外研究现状 61.2.1风力机叶片翼型的研究现状 71.2.2风力机叶片气动设计 71.3主要研究内容 8第2章风力机叶片相关理论 92.1叶素动量理论(BEM理论) 92.2贝茨极限 102.3简化的颤振理论 122.4小结 13第3章叶片气动外形设计 143.1.翼型的几何定义 143.2叶片气动参数的确定 143.3翼型的选择 173.4叶片叶素的创建 183.5利用UG建模 18第4章叶片流场分析 214.1CFD简介 214.2叶片流场分析结果 224.2.1叶片表面风压分布 224.2.2叶片表面流速分布 244.3叶片截面流场分析 264.3.1风速为12m/s时叶片分段截面表面风压分布 274.3.2风速为24m/s时叶片分段截面表面风压分布 294.3.3风速为64m/s时叶片分段截面表面风压分布 324.3.4风速为12m/s时叶片分段截面表面速度分布 344.3.5风速为24m/s时叶片分段截面表面速度分布 374.3.6风速为64m/s时叶片分段截面表面速度分布 394.4经济分析 424.5改进意见 42第五章结论 43参考文献 45致谢 47

兆瓦级风力发电机风轮叶片设计与改进摘要：风能作为一种清洁无公害的可再生能源，且其在地球上的储量巨大，使用风能发电效益极大，因此，它正日渐成为各国争相开发利用的新型能源。为了实现风能向电能的转换，风力发电机组应运而生。风力机叶片是否设计优良、质量是否恰当、性能能否满足要求，这些都直接影响到风力发电机组是否能稳定安全运行。基于以上理由，对叶片的设计和制造要求非常之高，因此设计之后对其进行仿真流场分析，对其进行不同工况下的风载计算，非常有必要。本文以研究2MW风力发电机风轮叶片为主，进行了它的气动结构设计和三维建模，并对其进行了仿真流场分析，最后在总结过后适当提出改进意见。论文完成的主要工作如下：了解风力发电机及其叶片的发展现状，掌握丰富的理论知识，对风力发电机风轮叶片有一定的了解，为后续进行叶片气动结构设计打下基础。选择合理的翼型进行叶片的气动结构设计，并使用UG三维建模软件完成叶片的三维建模，为后续进行叶片流场分析打下基础。使用CFD软件Fluent对叶片进行流场分析，分析叶片在三种不同工况下的压力分布：正常工况，危险工况以及极限工况,并选取叶片三个不同截面对其进行二维流场分析，对流场分析结果进行分析，得出结论，最后提出一些适当的改进建议。总结全文，分析所得的收获，并提出展望。关键词：风力发电机叶片；气动结构设计；流场分析；优化设计。

DesignandImprovementofWindTurbineBladeforMWWindTurbineAbstract:Windenergyasacleanandpollution-freeclassrenewableenergy,anditshugereservesontheearth,theuseofwindpowergenerationefficiencyisgreat,soitisincreasinglybecominganewtypeofenergycompetingfordevelopmentandutilization.Inordertorealizetheconversionofwindenergytoelectricenergy,windturbinecameintobeing.Whetherthewindturbinebladeiswelldesigned,whetherthequalityisappropriate,andwhethertheperformancecanmeettherequirementsdirectlyaffectwhetherthewindturbinecanoperatestablyandsafely.Basedontheabovereasons,thebladedesignandmanufacturingrequirementsareveryhigh,soitisnecessarytocarryoutsimulationflowfieldanalysisafterdesign,andcalculatethewindloadunderdifferentworkingconditions.Basedon2MWwindturbineblades,theaerodynamicstructuredesignand3Dmodelingarecarriedout,andthesimulationflowfieldisanalyzed.Themainworkaccomplishedinthispaperisasfollows:1.understandthecurrentsituationofwindturbineanditsblades,masterrichtheoreticalknowledge,haveacertainunderstandingofwindturbinebladesofwindturbine,andlaythefoundationforthesubsequentdesignofbladepneumaticstructure.2.selectreasonableairfoiltodesigntheaerodynamicstructureoftheblade,anduseUG3Dmodelingsoftwaretocompletethe3Dmodelingoftheblade,whichlaysthefoundationforthesubsequentbladeflowfieldanalysis.3.useCFDsoftwareFluenttoanalyzetheflowfieldoftheblade,analyzethepressuredistributionofthebladeunderthreedifferentworkingconditions:normalworkingcondition,dangerousworkingconditionandlimitworkingcondition,andselectthreedifferentsectionsofthebladetoanalyzethetwo-dimensionalflowfield,analyzetheresultsoftheflowfieldanalysis,drawaconclusion,andfinallyputforwardsomeappropriatesuggestionsforimprovement.4.summarizethefulltext,analyzethegainsandputforwardtheoutlook.Keywords:Windturbineblade;Aerodynamicstructuredesign;Flowfieldanalysis;Optimizationdesign.

第1章绪论1.1课题研究的背景纵观我国风力发电行业和技术的发展历程，可以看到我国风力发电得到了广泛的应用和发展，总装机将风能转换为机械功，接着再把机械功转化为电能，这就是风力发电。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[1]。在此过程中,将提高我国的风电技术水平和产品质量，使风电成为具有较强国际竞争力的重要战略新兴产业[2]。风力机主要是由风轮机、传动系统和发电机构成的，他是依靠自然风力来产生动力的一种特殊叶轮机械。风轮机由叶片和轮毂组成。通常一台发电机会有三支叶片，叶片是由复合材料制成的一种薄壳结构，在结构上分为根部、外壳、龙骨三个部分。叶片的类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。为了实现风力机组安全稳定的运行，对叶片的设计、质量和性能都有很高的要求。除了采用创新性的结构和新型材料来降低叶片重量和提高其刚度外，发展更加精确的动力学模型和高精度气动弹性计算技术，准确预测叶片的结构和气动特性，以降低因模型不确定性而引入的冗余设计量，降低叶片重量和机组载荷，是目前大型风力机叶片设计的关键[3]。本文以研究2MW风力机叶片为主，进行了它的气动结构设计和三维建模，并对其进行了仿真流场分析，最后适当提出一些改进意见。1.2国内外研究现状风力发电是指把风的动能转为电能。风是一种完全环保的能源，不会对大自然产生任何危害。采用这种方式发电对环境非常友好，同时可以创造出更多的能量，因此相较于其他能源来说更加优越，也有越来越多的国家更加重视风力发电。风能是可再生能源，而且无公害很清洁，逐渐在全世界得到广泛使用。地球上的风能储藏丰富，其总量大概是2.74×109MW，其中可利用的风能为2×10在很久以前，人们就发现风隐藏着巨大的能量，在这个阶段，他们制造了风车，借此来完成一些生活上的辅助，例如灌溉农田等；而现在，随着科技的发展和进步，人们对于风的野心越来越大，并逐渐将目光转向了发电行业，一定速度前进的风吹在静止的风力机叶片上做功并驱动发电机发电，将风能有效地转变成电能[4]。1.2.1风力机叶片翼型的研究现状在风电发展早期，人们还没有生产出属于风力机叶片的专属翼型，因此一般采用传统的航空翼型。然而因为风力机与飞机工作环境的不同，其周围空气流动的状况也不同，使用航空翼型不能完全发挥其的性能，使效益大大降低。为此，美国和欧洲陆续开展了风力机专用翼型的研究，发展了各自的风力机翼型，主要有美国的NREL-S系列、荷兰的DU系列和瑞典的FFA-W系列翼型[8]。利用FLUENT软件计算最大相对厚度较小的风力机翼型的吸力面和应力面上沿来流X方向的切向力，找到了吸力面边界层分离点，以此点对翼型吸力面后缘点适当加厚。王菲等[9]建立预测翼型气动特性的理论模型，研究翼型厚度对翼型升力系数、阻力系数、升阻比和流场、应力系数的影响。叶片的翼型要使整个叶片的效率比e(升阻比)最大，也要满足正常运转。通常，薄曲线翼型的雷诺数约为104，而相对厚的翼型NACA的雷诺数取值一般在105-106的范围内[10]。1.2.2风力机叶片气动设计叶片在风力机中至关重要。叶片的结构很大,它承受风力载荷,又在地球引力场中运动,其重力变化相当复杂，叶片设计涉及的内容相当广泛,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组合[11]。叶片的气动外形设计与优化依赖于输入的气动载荷，故对叶片进行精确动力学特性分析与控制需基于高精度的气动性能计算。目前,国内对风力机叶片结构设计的研究相对较少,主要集中在沈阳工业大学、汕头大学、上海玻璃钢研究院等[12]。目前来说，风力机气动特性计算的主要方法有叶素动量(BEM)方法、涡尾迹方法和计算流体动力学(CFD)方法等[13]。BEM方法是以一维动量理论和二维叶素动量理论为基础，利用二维翼型的实验升阻力系数，通过引入轴向和切向诱导因子来进行计算，由于不需要进行流场的三维网格划分，计算时间大大缩短[14]。在计算时，它不是对叶片整体进行计算，而是将其分成多个截面，分别计算，简化了叶片流场分析时叶片模型的融合。因此，BEM方法在目前工程设计中广受好评。然而风力机叶片工作的环境复杂，空气流动速度不会持续稳定，一旦风速超过其工作的额定风速，风力机叶片就会出现失速现象，影响性能。Martinez等[15]针对这类状况改进了BEM方法，考虑了失速情况的影响，并对风力机的功率曲线做了预测。Song[16]利用叶素动量理论设计了1MW风力机叶片，并使用车载平台对所设计的俯仰角进行测试，发现螺距角的选择对转子的起动性能有很大影响，且理论和实验结果吻合较好。Kosasih和Dicke[17]将BEM理论模型与准稳态时间相结合，对风力机叶片性能进行分析，并采用最优控制，实现了在襟翼的弯矩标准偏差减少21.59%。Yang等[18]将BEM理论与Airfoil数据相结合来分析风力机叶片的气弹稳定性能，结果表明，结合CFD得到的Airfoil数据更满足实验要求。涡尾迹方法的核心思想是将风力机三维流场中的涡量分布简化为集中分布的线涡和面涡等形式，配合以刚性尾涡或自由尾涡模型进行风力机气动性能的计算[19]。特别是其中的三维面元模型，在给出较为精确的气动力的同时，计算量也不会明显增加，是未来叶片气动特性计算研究的重要方向[19]。1.3主要研究内容本文以研究2MW风力发电机风轮叶片为主，进行了它的气动结构设计和三维建模，并对其进行了仿真流场分析。首先介绍了风力机叶片气动设计的基本理论、翼型的几何意义以及叶片翼型的选择。比较了叶片设计模型的优缺点，为后继的叶片设计提供理论基础。其次，利用Profili软件得到翼型文件，以及该翼型的升阻系数。确定叶片的基本气动参数，并计算叶片的具体参数。第三，Profili软件得到翼型曲线，利用UG软件建立叶片的实体模型，再使用FLUENT进行了叶片的数值研究。最后，对叶片进行流场分析，分别进行三种不同工况下的流场分析，并分别选取三个不同位置的截面对叶片进行二维流场分析，得出结果后分析叶片表面风载，总结结果。

第2章风力机叶片相关理论叶片的气动设计是使叶片满足气动性能设计要求，是叶片使用的基础。研究叶片气动设计的关键是如何计算作用在叶片上的气动力和选择合适的翼型。下面主要介绍叶片气动设计的理论基础，比较叶片设计参数计算常用的几种气动设计理论，列出叶片翼型选择的方法，为后继的叶片设计做准备。叶片的结构设计与优化依赖于输入的气动载荷，故对叶片进行精确动力学分析与控制需基于高精度的气动性能计算。目前风力机叶片基本设计理论有叶素-动量理论(BEM理论)、贝茨极限、以及颤振理论，下面就详细介绍一下这三种理论。2.1叶素动量理论(BEM理论)该方法主要是结合动量理论和叶素理论。动量理论主要是阐述作用在风轮上的力与来流速度间的关系，计算风机可以从风能中获取风能而转化为机械能的多少[20]；BEM理论基本假设：叶素上因风所受的载荷力之和与叶素所在的圆环上的流体的动量变换相关[20]。图2-1叶素上的气流速度三角形图2-1中，D为阻力；L为升力；Fn为轴向力；Ft为切向力；vx0为轴向速度；vy0为切向速度；vx为风轮上游远方风速，vy为风轮旋转角速度；v0为风轮处气流相对速度；a为叶片轴向诱导因子；b是叶片周向诱导因子；α为攻角；∅为扭转角；φdT=4πρVdM=4πρΩ由叶素理论可得式(2-3)和式(2-4)dT=1dM=1式中，B为叶片数，Cn为法向力系数；C由式(2-1)和(2-3)可得式(2-5)a1−a式中，σ=Bc由图2-1所示速度三角形可得式(2-7)和式(2-8)sinϕcosϕ式中，ϕ为叶片的攻角。将式(2-7)和式(2-8)代入式(2-5)中可以得到式(2-9)和式(2-10)a1−ab1−a将式(2-7)和式(2-8)代入式(2-10)中可以得到式(2-11)b1−b2.2贝茨极限贝茨理论是假设风力机是理想的，能够接受全部的风能且拥有无限多的叶片，气流通过叶片时没有阻力。气流是不可压缩的均匀定常流，将风力机简化为一个桨盘，且桨盘上没有摩擦力，风轮前后远方的气流静应相等，考虑的一种理想的情况[22]。图2-2风轮流动的单元流管模型将一维动量方程用于图2-2中风轮上的轴向力F为式(2-12)和式(2-13)F=m×(Vm=ρVA(2-13)其中V1为距风力机一定距离的上游风速，V2为叶片后尾流速度，V为通过风轮的实际风速，由式(2-12)和式(2-13)可得式(2-14)F=ρAV(V风轮所接受的功率为式(2-15)P=Fv=ρsv经过风轮叶片的动能转化式(2-16)V=V定义轴向的诱导因子a=VaV1,V=VV2根据能量方程，叶片吸收的能量等于风能前后气流动能之差，则得到式(2-19)∆T=1将式(2-17)和式(2-18)代入式(2-19)中可以得到式(2-20)P=aρAV当dPda时，则P出现极值，求解后得a=1和a=1/3,因为a<1/2,所以只取a=1/3。而当d2Pmax定义风轮功率系数CPCP将P代入可得CP因此，当a=1/3时，风力机叶片的功率系数最大，CP≈0.593这个值则为贝茨极限，即贝茨理论。这说明风力机从自然风中能摄取2.3简化的颤振理论主要考虑典型的二元翼型在气流中的振动[23],如图2-3所示。图2-3典型的二元翼型翼型的运动方程为式(2-25)m即mℎ式中，Sα为翼型对刚心的静矩，Sα=mσ;按定常气动力理论可得式(2-27)L=1式中S为翼型的平面面积，且q=1则运动方程(2-26)可转化为式(2-28)mℎ求解式（2-28）可得式(2-29)ℎ=ℎ式中，λ是待求的常数，可能是复数λ=ζ+iω,ζ对于式(2-29)所解得的结果，可有下列三种情况：ζ＜0，则eλt=表明运动是衰减运动，系统是稳定的。ζ=0，则eλtζ＞0，表明运动是发散的，系统是不稳定的。将式（2-29）代入式（2-28）中可以得到式(2-31)mλ2.4小结本章简单介绍了国内风电技术的现状以及风电技术的发展趋势和前景，并简单阐述了风力机叶片气动设计的基本理论，包括叶素动量理论(BEM理论)、贝茨极限和简化的颤振理论。

第3章叶片气动外形设计风轮机叶片的几何型线不同，空气动力特性也不同，发电量也不同，叶片的设计要求要有高效地接受风能的翼型、合理的安装角、科学的升阻比、尖速比和叶片型线扭曲[24]。因此在整台风力机设计环节中，最关键的当属风机叶片的设计。3.1.翼型的几何定义风力机叶片是由翼型系列组成的，一般来说，在叶片尖部，采用薄翼型以满足高升阻比的要求，其根部则采用相同翼型或较大升力翼型的较厚模式，以满足结构强度的要求[25]。下图为翼型的几何参数和气流角。图3-1翼型的几何参数和气流角B点为后缘(Trailingedge);A点为前缘(Leadingedge)，它是距后缘最远的点;L为翼型弦长，是两端点A、B连线方向上翼型的最大长度；C为最大厚度，是弦长法线方向上翼型的最大厚度；C,为翼型相对厚度，C,翼型中线为从前缘点开始，与上、下表面相切的诸圆圆心的连线，一般是曲线；f为翼型中线最大弯度；f,为翼型相对弯度，f,i为攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角；θ0θ为升力角，来流方向与零升力线之间的夹角i=θ+此处θ0是负值，θ和i3.2叶片气动参数的确定本次设计中叶片的基本参数如下：①风机输出功率：2MW;②风能利用系数：0.4；(由动量定理和动能转化公式可以计算得出,风力机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3%,但一般设计时根据叶片的数量、叶片翼型、功率等情况,取0.25-0.45[26]。③风力机效率：0.35；④风轮起始风速：3m/s；⑤额定风速：12m/s；⑥停机风速:20m/s；⑦风轮扫略面积：S=Neηkv3CaCt=5.428m2(⑧风轮直径等于2s⑨尖速比：λ=6；(现代风机一般选用高的尖速比，范围通常为5～8[28]，故本文选择尖速比为6)。⑩叶片数目为3；⑪确定每片叶片面积Sy=k,k⑫风轮转速n=60vλ叶片在结构上为大型的复合材料结构，本次设计的叶片材料选择复合材料玻璃钢，其参数如下表所示。表3-1材料参数展向弹性模量E剪切弹性模量G密度ρ（kg/m泊松比μ1.96×2.5×19500.15风力机叶片截面形状复杂，叶片沿展向从叶根到叶尖为扭曲形状，不同截面处翼型弦长和扭转角不同，用一个确定的函数来表达其曲面外表比较困难，所以在进行叶片展向设计时，是把叶片划分成若干截面来设计[29-30]。(1)整理叶片的基本参数如表3-2和表3-3所示。(2)叶片不同半径ri处的尖速比λi：由公式(3)叶片不同半径ri处的尖速比对应的相对迎风角φi：查文献可得[27](4)叶片不同半径ri处的叶片形状参数CCi:查文献可得[27]，见表3-2；(叶片不同半径ri处的相对迎风角φi和叶片形状参数CCi与尖速比λi之间的关系是：尖速比λi表3-2叶片基本参数一表风机输出功率风能利用系数风力机效率风轮起始功率额定风速停机风速2MW0.40.353m/s12m/s20m/s表3-3叶片基本参数二表风轮扫略面积风轮直径尖速比叶片数每片叶片面积风轮转速5.428m83.15m63108.56m16.5r/min表3-4叶片的具体参数riλφLiCθ14150065.218500.13-2.982377275.54545.820700.16-2.38333953.94.90907.623300.20-0.58430181.64.36368.524900.240.32526409.23.81829.826300.291.62622636.23.272711.529600.383.32718863.12.727213.534400.505.32815090.82.181815.538900.758.32911318.41.636421.544701.1512.32107545.41.09092851902.019.821137730.54553225902.023.82(5)不同半径ri处的叶片弦长Li：由公式Li=ri×CCiCL(6)升力曲线平均斜率KL=CL,max−CL0αL,max−α0；其中C(7)叶片的展弦长RZ(8)叶片的平均迎角αm(9)叶片不同半径处的叶片翼型安装角θi(10)验算叶片面积Sy，条件SLm(R−r叶片面积符合要求，确定叶片个数为3，选择叶片叶素11个。通过上述的参数计算，可知叶片的几何形状和安装角已经确定，具体的参数如表3-3所示。3.3翼型的选择结合目前适用于风力机叶片的新型翼型，我选择了翼型NACA4412，该翼型的最大厚度为12.02%，在30.0%的翼弦；最大曲面为4.00%，在40.0%的翼弦。如下图所示。图3-2翼型NACA4412的基本参数翼型NACA4412的升力系数Cl和阻力系数Cd、升阻比Cl/Cd以及俯仰力矩系数Cm与与迎角α图3-3升力系数Cl和阻力系数Cd与迎角图3-4升阻比Cl/Cd和俯仰力矩系数3.4叶片叶素的创建利用软件profili生成叶片叶素，选择翼型NACA4412。具体操作为：打开翼型软件profili，在翼型数据库中搜索翼型NACA4412，选中该翼型并点击开始用所选翼型打印翼肋或模板，在弹出来的窗口中修改翼型的弦长为Li，点击完成。点击打印，选择输出选定翼面为.dxf文件，由此得到叶片叶素。重复上述操作，即可得到11个叶片叶素。以L图3-5翼弦长度为L13.5利用UG建模首先将叶素曲线导入到UG中，具体操作为：打开UG，点击文件下的导入，选择AutoCADDXF/DWG，点击确定。通过上述计算，将导入的每个叶素按ri的距离分展开来，具体操作为：右键点击导入的图片，点击变换，选择平移(注意：有的UG版本中平移这个选项被隐藏了找不到，此时需要在系统环境变量中新增一个变量，该变量为UGII_ENABLE_TRANSFORM_LEGACY_OPTIONS，变量值为1)选择增量，在DZC处输入ri，点击确定；再将每个叶素按Z轴旋转图3-6叶片叶素分布图图3-7Z向叶素截面叠加图最后通过UG里面的曲线组命令依次选取各个叶素，得到叶片实体，具体操作为：点击UG工具栏“曲面”里的“通过曲线组”，选择曲线或点为第一个叶素，再点击添加新集依次选取剩下的10个叶素，注意要使选择曲面的箭头方向和翼型曲线切线方向一致，添加所有的叶素后可以通过预览查看模型是否有误，如果无误，点击确定即可得到叶片的实体模型[32]，叶片实体模型可以在图3-8中看到。图3-8叶片实体模型图

第4章叶片流场分析我们希望得到叶片在工作状态下的风压分布及其相对速度的分布，为了得到可能贴合实际的结果，有必要对叶片进行流场分析。而经典理论的解析方法比较适合于简单的材料和结构，对于叶片这种复合材料结构来说，其精准度远远不够，因此需另择一种方法来做计算的工作，查看了其他的方法之后，我们发现有限单元法正好能符合我们的要求。有限单元法可以快速而有效的完成以上计算工作,为叶片的结构分析提供了一种简便有效的方法[33-34]。4.1CFD简介计算流体动力学(简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析[34]。CFD方法的思想是把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[35]。图4-1即为其具体的求解过程。图4-1CFD工作流程图4.2叶片流场分析结果求解三种工况下的叶片表面风压与速度：一是正常工作工况，即风速为叶片额定风速时叶片的工作状态，此时v=12m/s；二是危险状态工况，叶片叶尖处失速，此时叶片周围空气气流高速流动，使叶片高速旋转，定义此时风速v=24m/s；三是极限状态工况，即叶片已然停止工作，静止不动，却遭遇大风被强行推动旋转，定义此时风速v=64m/s。本文将采用FLUENT软件对以上三种工况下的叶片风压载荷进行数值计算，结果如下。4.2.1叶片表面风压分布(1)风速为12m/s时叶片表面风压分布如下图所示。图4-2风速为12m/s时叶片上风压分布由图可知，叶片迎风面基本为正压，为压力面，叶片背风面基本为负压，为吸力面，两面存在的压强差会对叶片产生升力，从而使叶片旋转。在叶尖部约0.75R-0.95R处，迎风面产生最大压力，背风面产生最小压力，其中最大风压分布在叶片的迎风面，最大为120.584Pa；最小风压分布在叶片的背风面，最小值为-542.014Pa，所以该位置可以提供更多的升力，气动性能较好。而背风面以翼型前中部为负压中心往外扩散，翼型前缘为高压区，随着半径增加，迎风面与背风面压力差逐渐增大，气流产生的升力也越来越多。(2)风速为24m/s时叶片表面风压分布如下图所示。图4-3风速为24m/s时叶片的风压分布由图可知，风速为24m/s时叶片表面风压分布与风速为12m/s时大致相同，同样是叶片迎风面基本为正压，为压力面，叶片背风面基本为负压，为吸力面，其中最大风压为489.834Pa，位于叶片的迎风面；最小为-2212.28Pa，位于叶片的背风面。(3)风速为64m/s时叶片表面风压如下图所示。图4-4风速为64m/s时叶片的压力分布由图可知，当风速为64m/s时，叶片表面最大风压为3720.7Pa，位于叶片的迎风面；最小为-15415.8Pa，位于叶片的背风面。由此说明叶片表面风压的大致分布不会随着风速的改变而改变，正压和负压的分布也基本类似；而随着风速的增加，叶片表面所受正压的最大压力也增加，所受负压的最小负压减小。4.2.2叶片表面流速分布(1)风速为12m/s时叶片表面流速分布如下图所示。图4-5风速为12m/s时叶片表面速度分布图4-6风速为12m/s时叶片上流线分布从图中可以明显地看出绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片半径0.3R处周围气流流经叶片表面时从前缘流向后缘，流动充分附着，属于典型的翼型绕流；0.6R处叶片吸力面一侧中部气流有轻微的边界层分离的迹象，但不明显，也基本属于翼型绕流；0.9R处，边界层分离范围稍微扩散，可以看出气流在流向后缘时出现的轻微扰动，有出现涡流的迹象。总体来说叶片周围气流没有出现强烈的涡流，叶片周围空气流动状态良好，但是在叶尖部分可能会出现失速影响叶片捕获风能的效率。其中叶片表面最大相对速度为31.5641m/s；最小为0。(2)风速为24m/s时叶片表面流速分布如下图所示。图4-7风速为24m/s时叶片的速度分布从图中仍旧可以看到绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片根部与半径0.3R处背风面出现了涡流现象；半径0.6R处叶片出现轻微扰动，可能会出现涡流现象，但基本还是绕流；而叶片0.9R处相对速度很大，叶尖处可能出现失速现象，叶片周围空气流动状态较好，但是叶片捕获风能的能力和效益都将受到影响。其中叶片表面相对速度最大为61.2843m/s；最小为0。在叶片背风面的根部和0.3R处出现涡流。(3)风速为64m/s时叶片表面流速分布如下图所示。图4-8风速为64m/s时叶片的速度分布从图中可以看出叶片表面相对速度相较以上两种工况明显增大了不少，且叶片背风面大面积出现涡流现象，叶尖失速，叶片周围空气流动状态差，叶片性能下降，捕获风能的能力也将下降。其中叶片表面相对速度最大为169.137m/s；最小为0。而在叶片背风面，有多处涡流。综上所述，经计算所得，考虑大气压作用，风压的分布趋势是：叶片的迎风面整体呈现正压，迎风面风压主要为3880pa，在翼型前缘和后缘处压力降低。从图可知，冯笋越大，叶片的表面风压增加，其中极限载荷工况下，最大风压为6000Pa，背风面主要为负压，且负压呈现从叶片中间向两边降低趋势。从表面速度分布看，随着风速的增大，叶片表面速度也增大，其中极限状态工况下最大速度为169.137m/s，最小为0。4.3叶片截面流场分析由于叶片为复合材料结构，其结构复杂，为了简便起见，假定各个叶片分段上所受风压载荷沿着叶片长度方向是等值分布的，可以直接利用FLUENT软件数值计算出每个叶片剖截面上气压的分布，再将该气压值等值的分布于该叶片的分段上，那么整个叶片上所受风载就等于各个叶片分段受力之和。以此办法可对比叶片分段计算所得载荷于叶片整体计算所受载荷，验证所得结果。同样对叶片分段进行三种工况下的载荷计算，如4.2，分别为正常工作工况、危险状态工况和极限状态工况。其中，将叶片正常运行工况指定为额定风速下叶片正常运转，即v=12m/s;根据相关文献,将本文中危险状态工况指定为高风速下叶片高速运转,即v=24m/s;极限状态工况指定为叶片在停机状态下遭遇最大风速,即v=64m/s；分别截取叶片半径为5m处的截面、半径为10m处的截面、半径为20m处的截面、半径为30m处的截面以及半径为40m处的截面共五个截面。使用FLUENT软件计算所得的叶片截面表面风压分布云图以及速度云图分别如下列图片所示。4.3.1风速为12m/s时叶片分段截面表面风压分布图4-9半径5m叶片分段上风压分布图4-10半径10m叶片分段上风压分布图4-11半径20m处叶片分段风压分布图4-12半径30m处叶片分段风压分布图4-13半径40m叶片分段风压分布从上述图片可知，风速为12m/s时，叶片迎风面基本为正压，背风面基本为负压，而且随着半径增加，叶片迎风面所受正压越来越大，所受负压越来越小，其中最大风压出现在叶片的迎风面，为120.6Pa，最小风压出现在叶片的背风面，最小为-542.0Pa。可以看到从叶片分段获取到叶片整体的风压分布与叶片整体流场分析所得结果基本相同，基本没有偏差。4.3.2风速为24m/s时叶片分段截面表面风压分布图4-14半径5m叶片分段风压分布图4-15半径10m叶片分段风压分布图4-16半径20m叶片分段风压分布图4-17半径30m叶片分段风压分布图4-18半径40m叶片分段风压分布从上述图片可知，风速为24m/s时叶片分段上的风压分布趋势与风速为12m/s时大致相同，迎风面基本为正压，背风面基本为负压，且随着半径增加，迎风面所受正压逐渐增大，背风面所受负压逐渐减小，其中最大风压为489.8Pa，最小风压为-2112.0Pa，与叶片整体流场分析结果基本相同，基本没有偏差。4.3.3风速为64m/s时叶片分段截面表面风压分布图4-19半径5m叶片分布风压分布图4-20半径10m叶片分段风压分布图4-21半径20m叶片分段风压分布图4-22半径30m叶片分段风压分布图4-23半径40m叶片分段风压分布从上述图片中的看到，风速为64m/s时叶片迎风面基本为正压，背风面基本为负压，且压力最大为3721Pa，最小为-15420Pa。所得结果与叶片整体流场分析结果基本相同，基本没有偏差。4.3.4风速为12m/s时叶片分段截面表面速度分布图4-24半径5m叶片分段上速度分布图4-25半径10m叶片分段上速度分布图4-26半径20m叶片分段速度分布图4-27半径30m叶片分段速度分布图4-28半径40m叶片分段速度分布从上述图片可知，可以明显地看出绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片半径为10m处周围气流流经叶片表面时从前缘流向后缘，流动充分附着，属于典型的翼型绕流；半径20m和30m处叶片吸力面一侧中部气流有轻微的边界层分离的迹象，但不明显，也基本属于翼型绕流；半径40m处，边界层分离范围稍微扩散，可以看出气流在流向后缘时出现的轻微扰动，有出现涡流的迹象。总体来说叶片周围气流没有出现强烈的涡流，叶片周围空气流动状态良好，但是在叶尖部分可能会出现失速影响叶片捕获风能的效率。其中叶片表面最大相对速度为31.5641m/s；最小为0。此结果与叶片整体流场分析时基本相同。4.3.5风速为24m/s时叶片分段截面表面速度分布图4-29半径5m叶片分段速度分布图4-30半径10m叶片分段速度分布图4-31半径20m叶片分段速度分布图4-32半径30m叶片分段速度分布图4-33半径40m叶片分段速度分布从上述图片中仍旧可以看到绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片半径5m、10m处背风面出现了涡流现象；半径20m、30m处叶片出现轻微扰动，可能会出现涡流现象，但基本还是绕流；而叶片半径40m处相对速度很大，叶尖处出现失速现象，叶片周围空气流动状态较好，但是叶片捕获风能的能力和效益都将受到影响。其中叶片表面相对速度最大为61.2843m/s；最小为0。4.3.6风速为64m/s时叶片分段截面表面速度分布图4-34半径5m叶片分段速度分布图4-35半径10m叶片分段速度分布图4-36半径20m叶片分段速度分布图4-37半径30m叶片分段速度分布图4-38半径40m叶片分段速度分布从图中可以看出叶片表面相对速度相较以上两种工况明显增大了不少，且叶片背风面大面积出现涡流现象，叶尖失速，叶片周围空气流动状态差，叶片性能下降，捕获风能的能力也将下降。其中叶片表面相对速度最大为169.137m/s；最小为0。而在叶片背风面，有多处涡流。4.4经济分析本文设计的兆瓦级风力发电机风轮叶片符合行业规范要求，满足相应的生产工艺流程和质量标准，性能良好，有一定使用价值。为满足性能与产品经济性均衡，在设计开始时，对叶片进行分析，确定性能和技术指标，查阅相关文献和技术资料进行方案设计及仿真流场分析。在设计过程中，详细设计，分析校核，与现有产品进行对比改进，使产品满足工作条件的情况下，成本控制在较低水平。4.5改进意见由于叶片为大型的复合材料结构，其结构十分复杂，因此叶片与轮箍连接，使叶片成悬臂梁形式，作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮箍上，因此叶根的载荷最大。叶片上的载荷通过根端结构的剪切强度、挤压强度、或玻璃钢与金属的胶结强度传递到轮箍上的，而玻璃钢的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根端是危险的部位，设计时应予以重视。大型风力机玻璃钢叶片根端形式主要有：金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。目前国内自主开发的大型风力机叶片大多采用预埋金属杆根端形式。为确保根端结构的安全可靠，须进行金属杆与玻璃钢壳体结合强度的模拟试验。如果胶结工艺技术高，可采用金属法兰与叶根复合材料柱壳胶结，减轻根部的重量，使叶片外形流畅。

第五章结论本文以研究2MW风力机叶片为主，对叶片进行了气动外形设计，结合三维软件UG及CFD软件Fluent进行叶片的三维建模和仿真流场分析，分析了叶片在三种不同工况下叶片的风压分布和速度分布，分别是：正常工作工况，即叶片在风速为12m/s时的状态；危险状态工况，即叶片在24m/s时的状态；极限状态工况，即叶片在风速为64m/s时的状态。与此同时，本文还进行了叶片分段截面的流场分析，分别分析了半径5m、10m、20m、30m、40m处的叶片分段截面。研究发现：对于叶片表面风压分布，当风速为12m/s时，叶片迎风面基本为正压，为压力面，叶片背风面基本为负压，为吸力面，两面存在的压强差会对叶片产生升力，从而使叶片旋转。在叶尖部约0.75R-0.95R处，迎风面产生最大压力，背风面产生最小压力，其中最大风压分布在叶片的迎风面，最大为120.584Pa；最小风压分布在叶片的背风面，最小值为-542.014Pa，所以该位置可以提供更多的升力，气动性能较好。而背风面以翼型前中部为负压中心往外扩散，翼型前缘为高压区，随着半径增加，迎风面与背风面压力差逐渐增大，气流产生的升力也越来越多。当风速为24m/s时，叶片表面风压分布与风速为12m/s时大致相同，同样是叶片迎风面基本为正压，为压力面，叶片背风面基本为负压，为吸力面，其中最大风压为489.834Pa，位于叶片的迎风面；最小为-2212.28Pa，位于叶片的背风面。当风速为64m/s时，叶片表面最大风压为3720.7Pa，位于叶片的迎风面；最小为-15415.8Pa，位于叶片的背风面。由此说明叶片表面风压的大致分布不会随着风速的改变而改变，正压和负压的分布也基本类似；而随着风速的增加，叶片表面所受正压的最大压力也增加，所受负压的最小负压减小。综上所述，可知叶片迎风面基本为正压，为压力面，叶片背风面基本为负压，为吸力面，两面存在的压强差会对叶片产生升力，从而使叶片旋转。在叶尖部约0.75R-0.95R处，迎风面产生最大压力，背风面产生最小压力。经计算所得，考虑大气压作用，风压的分布趋势是：叶片的迎风面整体呈现正压，迎风面风压主要为3880pa，在翼型前缘和后缘处压力降低，其中极限载荷工况下，最大风压为6000Pa，背风面主要为负压，且负压呈现从叶片中间向两边降低趋势。而对于叶片表面相对速度来说，当风速为12m/s时可以明显地看出绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片半径0.3R处周围气流流经叶片表面时从前缘流向后缘，流动充分附着，属于典型的翼型绕流；0.6R处叶片吸力面一侧中部气流有轻微的边界层分离的迹象，但不明显，也基本属于翼型绕流；0.9R处，边界层分离范围稍微扩散，可以看出气流在流向后缘时出现的轻微扰动，有出现涡流的迹象。总体来说叶片周围气流没有出现强烈的涡流，叶片周围空气流动状态良好，但是在叶尖部分可能会出现失速影响叶片捕获风能的效率。当风速为24m/s时，仍旧可以看到绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速，随着叶片半径增加，相对速度逐渐增大。从图中可以看出叶片根部与半径0.3R处背风面出现了涡流现象；半径0.6R处叶片出现轻微扰动，可能会出现涡流现象，但基本还是绕流；而叶片0.9R处相对速度很大，叶尖处可能出现失速现象，叶片周围空气流动状态较好，但是叶片捕获风能的能力和效益都将受到影响。其中叶片表面相对速度最大为61.2843m/s；最小为0。在叶片背风面的根部和0.3R处出现涡流。当风速为64m/s时，可以看出叶片表面相对速度相较以上两种工况明显增大了不少，且叶片背风面大面积出现涡流现象，叶尖失速，叶片周围空气流动状态差，叶片性能下降，捕获风能的能力也将下降。其中叶片表面相对速度最大为169.137m/s；最小为0。而在叶片背风面，有多处涡流本文所做模型只是风力机叶片的简化模型，对于叶片的一些复杂结构考虑不够周全，因此可能会产生些许偏差。如果要实现叶片的精准分析，需要结合叶片的实际工作环境、工艺要求和安装要求，考虑到叶片材料选择、气动结构设计、叶片制造及安装的一系列过程，建立更加精准的模型。本文主要分析了叶片以及叶片分段截面(半径5m、10m、20m、30m、40m)在三种不同工况下的风压分布和速度分布：正常工作工况、危险状态工况和极限状态工况，在后续工作中还需考虑更多参数的影响，如：叶片的材料、叶片的内部结构等。

参考文献[1]沈艳霞,杨雄飞,赵芝璞.风力发电系统传感器故障诊断[J].控制理论与应用,2007,34(34)：321-328.[2]黎作武,贺德馨.风能工程中流体力学问题的研究现状与进展[J].力学进展,2013,43(5):472-525.[3]徐宁,廖猜猜,荣晓敏,王强.气动、结构、载荷相协调的大型风电叶片自主研发进程[J].应用数学和力学,2013,34(10),391-395.[4]刘雄,陈严,叶枝全水平轴风力机气动性能计算模型.太阳能学报,2005,12.[5]刘万琨,张志英,李银凤,赵萍.风能与风力发电技术[M].化学工业出版社,2007,70-100.[6]张新房等.风力发电技术的发展及问题[J].现代电力,2002,5:23-25.[7]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,2002,77-222．[8]刘雄飞,汪建文.风力机叶片翼型改进方法的研究[J].电子测试,2013,10,149-150.[9]王菲,吕剑虹.翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响[J].流体机械,2011,39(12)，5-8.[10]姚建忠,寇生中.风力发电机组叶片关键技术的发展概述[J].机械制造,2012,50(8):45-49.[11]熊峰.李章政等结构设计原理.北京科学出版社，2002.[12]龙泽强.风力发电-世纪的绿色能源.世界科技研究与发展,2001,23(4):32-34.[13]HansenM,MadsenH.Reviewpaperonwindturbineaerodynamics[J].JournalofFluidsEngineering,2011,113(11),114001.[14]陈佳慧,王同光.考虑气动弹性的风力机叶片性能分析[J].空气动力学学报,2011,29(3)，395-400.[15]MartfnezJ,BemabiniL．AnimprovedBEMmodelforthepowercurvepredictionofstall-regulatedwindturbines[J].WindEnergy,2005(8):385-02.[16]SongQ.Designandtesting