风机叶片：气动设计和载荷分析

风机叶片：气动设计和载荷分析
来源：中国玻璃钢综合信息网
风机叶片–气动设计
风机叶片的外形是经过细致的设计以便实现付出最小的成本获得最大的输出效率。

设计方案主要由气动需求决定，但经济决定需要设计建造成本合理的叶片外形。

而且，叶片的厚度从叶尖向根部逐渐增大，因为根部要承担最大的载荷。

风机叶片–设计
叶片设计过程起始于获得气动设计和结构效率的最合理的平衡的评估。

材料和制作工艺的选择也会影响到最终的叶片的厚度（从而达到理想的气动性）。

选定的气动外形增加了载荷，进而被反馈到结构设计上，如果超出了结构所能承受的范围，气动外形就需要被重新修正，相应的效率也要被重新计算。

风机叶片–需要考量的地方
长度
叶片的长度影响了扫风面积，也就决定了捕风能力。

根据Betz法则实际上最多只能有一半的风能被风机捕获。

气动部分
在叶片的横截面上可以清楚地看到叶片的气动外形，正是这种独特的设计产生了推力促使风机转动。

俯视图翼形
叶片的形状从叶根到叶尖逐渐变窄，以保证整个扫风区域保持恒定的减速率。

确保气流不会过慢通过叶片而产生扰流，同时通过速度也不会过快而造成能量浪费。

剖面厚度
从尖部到根部叶片厚度逐渐增大以承担更大的载荷和弯矩。

如果载荷不是很重要的话，一般情况下厚度和弦长的比值在10-15%。

靠近叶片根部的平坦部分有助于提高捕风效率。

叶片扭转设计
因为叶片的转速随着长度的增加而增大，迎风角度是随着叶片延展连续变化的。

因此为了保持叶片迎风区域具有最佳的攻角，叶片需要被设计成扭转形式。

叶片数量和转速
通常情况下风机叶片的转速大约是风速的7到10倍，目前的设计叶片最多为3个。

转速越高，叶片数量越多也就意味着叶片尺寸要做的更窄，更薄，从而很难保证叶片具有足够的强度。

而在转速过快的时候叶片的捕风效率也有所降低，噪音增大，更易受到环境侵蚀和飞鸟撞击的伤害。

转速过低时捕风效率也会降低，同时增加了施加给其他部件的轴向负荷。

桨距控制
因为风能资源的多变性，必须确保风机在低风速时能够持续产能，在高风速时能够承担
高负荷。

因此在风速超过理想风速时，风机可以通过调整桨距以产出能量，并降低外部载荷，比如可以顺桨迎风而上，或者主动停转以远离强风。

风机叶片–复合材料设计
材料和制作工艺的选择会影响到叶片的成本及最终的叶片厚度（从而达到理想的气动性）。

因此结构设计过程在如何将设计原则和制造工艺相结合工作中扮演着重要角色，必须找出可以保证高性能与低成本，同时具有最优气动性的方案。

风机叶片–制造工艺
叶片的结构设计与制造工艺紧密相关，目前叶片的制造工艺主要有预浸料工艺和灌注工艺两种。

两者都需要生产出低成本高可靠性的叶片。

关于两种工艺的选择在业界已经争论了很多年，灌注工艺成本低廉，被广泛接受。

而预浸料工艺产出的叶片具有更高的性能，易于实现自动化生产，质量更加稳定，可以进一步降低叶片重量。

叶片重量的降低也就降低了叶片本身和发电机的负荷，从而进一步降低了成本和风机其他部件的磨损。