风力发电机的叶片设计方法研究
机械设计制造及自动化毕业论文-风力机叶片的有限元分析
风力机叶片的有限元分析学生姓名：1111 专业班级：机械设计制造及其自动化2008级10班指导教师：朱仁胜指导单位：机械与汽车工程学院摘要：通过Solidworks软件对3MW风力机叶片进行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。
其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为 0.34Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。
流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。
在11级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。
该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。
关键词：叶片建模；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析1Abstract:Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.Andthe Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysisresults show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,Thefirst modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid the external excitation frequencywell,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction havedo a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis wehave a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximumstress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensilestrength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximumstress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis providesa reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.Keywords:Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；Static structural analysis31 概 述风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能量具有取之不尽、用之不竭、就地可取、不需运输、广泛分布、不污染环境、不破坏生态、周而复始、可以再生等诸多优点。
风力机叶片设计的新方法_包耳
( 7)
收稿日期 : 2004- 04- 29; 修订日期 : 2004- 09- 14 基金项目 : 国家民委重点科研资助项目 ( 200116) 作者简介 : 包耳 ( 1956- ) , 女 , 上海人 , 工学士 , 副教授 , 研究方向 : 机械设计及工程材料。
2
一种新的设计方法
下面考虑干涉因子和 翼型 阻力 , 从能 量的 角度 入手 , 对桨 叶气动外形重新进行计算。 根据 Glauer t 环动量理论可初步推算 a、 a c 和 U 值的大小 , 桨叶的功率系数可表示为 :
Cp = $P 1 3 Q v $A 2 = 1 Q w 2 r 8 BC ( Cl s in U - Cd cos U )$ r 2 = 1 3 Q v 2P r dr 2
2005 年 2 月
ac BC Cl sin U- Cd cos U = # 1 + ac 8P r s in U cos U
包耳 , 等 : 风力 机叶片设计的新方法 ( 8)
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根据所要求的输出功率 , 将式 ( 15) 、 ( 17 ) 作为约束 条件 , 对 式 ( 16) 进行优化 , 即可算得桨叶各个断面的弦长值。 在风力机桨叶翼型参数的设计 过程中 , 各 个参数 的变化 都 会对其它参数的设计产生影响。 在设计 中本着 能够使 单位叶 素 有最大的功率利用系数的原则 , 来选择翼型参数。 贝兹理论仅把 空 气 流动 考 虑成 一 维定 常 流 动 , 对 翼 型 阻 力、 叶梢阻力都没有考 虑 , 仅能 从总 体上 对风 轮性 能确 定一 个 大致的范围 [ 5] 。 Glauert 环动 量理论、 环动 量优化理论、 Wilson 理论分别 考 虑了涡流运动、 叶梢损失的影响 , 但此影响仅在 计算干涉因 子 a 和 ac 时加以考虑 , 在 优化弦 长 C 时 仍采 用动 量理 论的 推导 公 式 , 仅保证了功率系数 为最大 值 , 而 忽略 了所 设计 风力 机实 际 输出功率的限制 , 因而设计的弦长或升力系数值普遍偏大 [ 6] 。 这里提出的设计方法 , 把 CC l 值 的大小与 实际功 率联系 起 来 , 在考虑涡流运动、 翼型阻 力、 叶 片数等 诸多 因素后 , 以保 持 叶轮实度最小 为最 终 条件 进行 优 化 , 在 满 足性 能 要求 的 前 提 下 , 极大地降低了翼弦的取值。
1011第十-十一讲 叶片设计理论
N max
1 2
C
p
sv13
34
而
1 2
sv1正是风速为
v1
的风能,故
Nmax CpT
Cp =0.593说明风吹在叶片上,叶片所能获得的最
大功率为风吹过叶片扫掠面积风能的59.3%.贝茨
理论说明,理想的风能对风轮叶片做功的最高效率
是59.3%。
35
通常风力机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3%， 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。
' 1 z
2
42
因为， 可得：
a' (Z ) /
Z (a'1)
气流对叶轮的角速度
' 1 (1 a' )
2
(2)
43
三、动量理论
图9 动量理论简图
44
在叶轮上r--r+dr的环域内应用动量定理（如图 9），则风作用在该环域上的轴向推力为
26
s
v1
s1
v
s2 v2
图7 贝茨（Betz）理论计算简图
vv12
s
—叶片前的风速；
v
—风经过叶片后的速度； —风经过叶片时的面积；
ss12
—风经过叶片时的速度； —叶片前风速的面积； —风经过叶片后的面积
27
分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶 片上所有受到的力及移动空气对风轮叶片所做的 功。
22
当空气经过风轮圆盘时显然有静压降存在，以至 于空气离开风轮时其压力会小于大气压力。空气 流就会以减小的速度和静压向下游前进——这个 气流域被称为尾流。
风力发电机的叶片设计方法研究（全面）
ａ ｃ ｃ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｗ ａ ｙ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｏ ｗ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ， Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｅ ｒ ｓ ｓ ｌ ｙ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｕ ｍ － ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙｗ ｒ ａ ｙ ， ｔ ｈ ｉ ｓ ｗ ａ ｙ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｗ ｏ ａ ｈ ｅ ａ ｄ ｗ ａ ｙ ｓ ， ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｏ ｖ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ． Ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｕ ｓ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｌｗ ａ ｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｎ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｌｃ ａ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｙ ｂ ｏ ｔ ｈ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ｅ ｎ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ， ｓ ｏ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ｉ ｓ ｔ ｏ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ｅ ｎ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｉ ｎ ｔ ｗ ｏ ｃ ａ ｓ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｏ ｕ ｔ ｔ ｏ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｎ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｃ ｌ ａ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ．
风力发电机叶片研究报告
风力发电机叶片研究报告随着科技的不断发展，可再生能源的使用量不断增加，风力发电机当属其中。
风力发电机主要是利用风力将风能转换成机械能，再经过发电机转换成电能。
风力发电机的性能主要取决于叶片，叶片的型号和面积、结构式样均影响叶片的效率、噪音和特性。
叶片体系是风力发电机的核心，是发电机最重要的部件，改善叶片体系将能够提高风力发电机的发电效率、减少噪音、延长使用寿命。
本文主要分析风力发电机叶片的结构特点和参数分析，最终为发电机提供参考设计。
二、叶片的结构及分类风力发电机叶片由叶端、腹部和叶脚构成，其中叶端又可分为前端和后端。
由于叶片的形状、尺寸及结构都会对发电机的性能有很大影响，因此一般情况下叶片可分为三种：直叶栅叶片、斜叶栅叶片和双锥叶片，每种叶栅叶片又可分为不同的段长型号。
（1）叶栅叶片直叶栅叶片主要是指通过线性结构的叶片，具有叶脚的线性结构，前端和后端的夹角可以是直角，也可以是斜角。
一般来讲，叶片的横截面可以分为三种不同形式：圆弧形叶片、梯形叶片和矩形叶片，其中圆弧形叶片是最常见的，重量轻，在抗风压方面也有较好的表现，但叶片的弯曲强度较弱。
形叶片结构实现较简单，叶脚较短，由于具有较小的抗风压面积，因此对于风力发电机而言，效率高，但叶片效率也相对较低；矩形叶片的抗风压面积大，叶片的曲率可以调整，此外由于叶片三维结构的复杂性，其制造和维修成本也较高。
斜叶栅叶片具有和直叶栅叶片类似的结构，但斜叶栅叶片的横截面是斜角形，可以增加发电机的叶片弹性，减少发电机的抗风压面积，使发电机在低风速下发电能力更强，发电效率更高。
斜叶栅叶片可以根据不同段长设计，其设计技术也可以与直叶栅叶片结合，从而提高发电机的性能和稳定性。
（3）双锥叶片双锥叶片具有叶片的三维结构，具有可以随环境改变而自动调节发动机功率输出的优点，叶片的抗风压表现良好，可以抵抗单向冲击力，叶片的弯曲强度也较大，双锥叶片可以提高风力发电机对小风速环境的应用性，但由于结构复杂，制造和维修成本也较高。
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用
空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的应用风力发电机是一种非常具有发展潜力的新能源。
而其核心部件——叶片的设计则对于风力发电机的高效性、经济性、可靠性等方面至关重要。
而空气动力学技术对于叶片设计的应用,则能够提高风力发电机的发电效率，从而更好地满足能源需求，节约资源。
1. 空气动力学技术的定义与基本原理空气动力学技术是指研究流体（空气）在单位时间内通过流动的方式对于物体产生的力的规律或现象的技术。
它的基本原理是通过实验手段和数学模型对流体运动的速度和流量进行分析研究，从而更好地理解流体的运动规律，并应用这些规律于风力发电机的叶片设计中。
2. 空气动力学技术在风力发电机中的应用在风力发电机的叶片设计中，空气动力学技术主要应用在以下方面：1. 叶片形状优化空气动力学技术能够帮助设计者分析叶片的流场分布、气动特性及其对风力发电机发电效率的影响，从而通过优化叶片形状，改善风力发电机的发电效率。
2. 叶片材料选择由于叶片在高速运动的情况下需要承受很大的拉力和扭矩，因此选用合适的材料对于风力发电机的可靠性和寿命也至关重要。
空气动力学技术可以对叶片使用的材料进行分析，提供材料的适用性和优缺点，并建议叶片制造商在材料选择上做出合理的抉择。
3. 噪声控制风力发电机叶片在高速旋转时会发出噪音，影响了风力发电机的性能。
空气动力学技术可以针对叶片设计进行优化，提高叶片的气动特性，从而减小发电机的噪音。
4. 非定常气动特性分析除了在静态情况下对叶片进行分析，空气动力学技术还可以通过非定常气动流动分析，探讨叶片在旋转的情况下的动态响应特性，从而优化叶片的设计，提高其适应性和可靠性。
3. 空气动力学技术在风力发电机叶片设计中的局限性虽然空气动力学技术在风力发电机叶片设计中发挥着重要作用，但是其应用也存在局限性。
主要包括以下方面：1. 受限于计算机硬件条件空气动力学技术的应用需要计算大量复杂的流场分布和气动特性数据，因此需要大量的计算机硬件支持，这对于一些软件开发商和设计者来说是一大挑战。
独立式小型风力发电机及其控制器的研究
二、研究现状
近年来，针对小型永磁风力发电机性能测试技术的研究已经取得了一定的进 展。然而，现有的测试方法大多基于传统风力发电机性能测试技术，未能充分考 虑永磁风力发电机的特性和需求。此外，这些方法往往操作复杂，精度不高，难 以满足实际应用的需求。因此，开发适用于小型永磁风力发电机的性能测试技术 势在必行。
六、结论
本次演示对小型永磁风力发电机性能测试技术进行了深入研究，提出了一种 基于磁势能和风能测量的测试技术方案。实验验证表明，该技术方案具有高精度、 简便快速、稳定性好等优势，具有广泛的应用前景。未来，随着新能源技术的不 断发展，小型永磁风力发电机性能测试技术将在风能领域发挥越来越重要的作用， 推动可再生能源的可持续发展。
2、反馈系统：反馈系统是控制器的重要组成部分，它通过实时监测发电机 的运行状态，为控制器提供必要的信息，以便做出相应的调整。反馈系统通常包 括风速传感器、发电机速度传感器、电力输出传感器等。
3、电力储存和管理：对于独立式小型风力发电机来说，电力储存和管理也 是控制器的重要职责之一。控制器需要确保在风速低或者无风的情况下，电力能 够得到有效的储存和管理，以确保持续供电。
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2、产业规模：我国的小风电机产业规模也在不断扩大。据统计，我国的小 风电机市场规模在过去几年中增长迅速，成为全球最大的小风电机市场之一。
3、政策支持：我国政府对小风电机的发展给予了大力支持。各级政府出台 了一系列优惠政策，如补贴、税收优惠等，以推动小风电机产业的发展。
三、发展趋势
1、技术创新：未来，我国小风电机产业将继续加大技术创新的力度，以提 高产品的性能和竞争力。例如，通过采用新材料、新工艺等，使得小风电机在重 量、体积和噪音等方面都能得到优化。
参考内容
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究
垂直轴风力发电机组的设计与性能研究随着科技的不断发展和环保意识的提高，可再生能源逐渐受到人们的青睐。
风力发电机作为空气能转化成电能的重要装置之一，也在不断的研究和发展。
垂直轴风力发电机组在这个领域扮演着异军突起的角色，其独特的结构和性能优势吸引了国内外众多专家的目光。
一. 垂直轴风力发电机组的设计垂直轴风力发电机组是指风力发电设备中转子轴线竖直，叶片旋转面垂直于地面。
相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机拥有更为广阔的应用领域。
其特点主要表现在以下几个方面：1.适应性强垂直轴风力发电机组可以被用于各种地形、各种气候条件下的风能资源利用，产生的振动和噪声较小，适合于城市和农村领域中的小型风电场。
2.高效性能垂直轴风力发电机组因为其结构上的特殊性，使得其在低风速条件下依然能够产生电能，相对于其他风力发电机而言，它的发电效率更高、更稳定。
3.运转安全垂直轴风力发电机组的机组不受方向和大小限制，转矩、重心、惯性力的平衡性也很好，可以在运转条件下减小结构疲劳损伤，从而提高设备的可靠性和使用寿命。
垂直轴风力发电机组的设计包含多个方面，其中重点考虑齿轮减速器、磨损与摩擦、自动转向等问题。
同时，风机的轴承材料、测量模型、风场起伏、大气压力等因素都将直接或间接影响垂轴风机的效率和性能。
二. 垂直轴风力发电机组的性能研究为了更好地发挥垂直轴风力发电机组的性能优势，优化其运行效率，研究者们也对其性能进行了深入探究，主要包括以下研究方向：1. 研究风机的动态特性风机在运行时，会出现转速的波动、能量的损失以及噪声的产生等问题，因此需要研究风机的动态特性。
刘维庆教授团队。
研究了垂直轴风力发电机的动态仿真模型，通过数理模型和实验对其动态特性进行了评估和分析，为进一步优化风机的控制提供了基础。
2. 研究风机的叶片设计近年来，研究者们也在着力改进机组的叶片设计。
研究表明，对于垂直轴风力发电机，叶片的设计对于功率密度和发电效率有着重要影响。
风力发电机叶片气动外形设计方法概述
0 引 言 风力发电是风能利用的主要方式，叶片是用来转换风能的关键部件。
风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率，因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能，是风力发电机设计着重考虑的部件之一。
Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理论是叶片设计的基础理论，现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。
到目前为止，Glauert理论和动量—叶素理论仍在广泛的使用。
分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程，实现对叶片弦长和来流角的求解，并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。
1 理论方法介绍 1.1 Glauert理论 G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a 和切向诱导因子b )；但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风轮的效率影响较大。
[4] 由一系列的推导知道[1]，对于在给定半径r 处的尖速比 ，当时，即时，P C 有最大值。
令 （1）式中： —中间变量 在等式两边同除以 ，得（2）风力发电机叶片气动外形设计方法概述贾娇1 田 德※1，2 王海宽1 李文慧1 谢园奇2（1.内蒙古农业大学机电工程学院 2.华北电力大学可再生能源学院）摘 要：该文介绍了目前风力发电机叶片的主要设计理论——Glauert理论、Schmitz理论和动量—叶素理 论。
运用以上三种理论，使用c#语言编程分别计算了1000W叶片的弦长和来流角，并对计算出的结 果进行了比较和分析。
从设计的结果可以得到，用动量—叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert 理论和Schmitz理论设计出来的弦长和来流角更小。
但是用以上三种理论设计出来的弦长和来流角在 叶根处都偏大。
关键词：风力发电机；叶片；气动外形设计而 ，则即 ，由此可得：（3）将上式代入（1），便可求得a 值。
风力发电机的叶片
风力发电机的叶片技术领域[0001] 本发明涉及用于风力发电机的叶片技术领域，具体来说，本发明涉及一种水平轴风力发电机的叶片。
背景技术[0002] 目前，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
水平轴风力发电机的叶片翼型多采用航空翼型，以航空翼型为主的升力型叶片。
在旋转的过程中，其相对的线速度从根部到叶尖部分为依次加大的。
为了追求更高的升力系数，叶片被做成根部尺寸大、尖部尺寸小。
但这样造成的缺陷是输出的力矩较小，风能利用率低。
发明内容[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种水平轴风力发电机的叶片，能够更好地对来流风速进行处理，获得的输出力矩大，风能利用率高。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机的叶片，包括前缘部、上表面、后缘部、叶根部、叶尖部和下表面，所述前缘部为圆弧弧面或者弧线，所述叶尖部为圆弧弧面，所述上表面为曲面，所述叶根部为一圆弧弧面或者叶轮的圆心，所述后缘部为圆弧，所述下表面为曲面或者平面。
[0005] 可选地，所述前缘部的上前缘线和/或下前缘线是以所述叶轮的圆周的半径1/2R 处为圆心，从所述叶轮的圆周到所述叶根部所得的半圆圆弧或者劣弧。
[0006] 可选地，所述叶尖部的圆弧弧面的半径为所述叶轮的圆周的半径，所述叶尖部的弧长在180度以内，所述叶尖部的圆弧弧面与所述前缘部的圆弧弧面或者弧线是相结合的。
[0007] 可选地，所述上表面是由以所述叶轮的圆心作为参照点的多条横向圆弧弧线以及多条纵向圆弧弧线扫描而成的；[0008] 其中，所述横向圆弧弧线是以所述叶轮的圆心或者圆心线的上端点为圆心，在所述上前缘线和所述后缘部之间作的多条密集的横向圆弧弧线；[0009] 所述纵向圆弧弧线是由所述叶尖部的叶尖部上弧线到所述叶轮的圆心或者所述圆心线之间作的多条密集的纵向圆弧弧线。
[0010] 可选地，所述叶根部为圆弧弧面或者所述叶轮的中心部，所述叶根部的圆弧弧面位置是选择以所述叶轮的圆心为参照点作所述叶片的所述前缘部与所述后缘部之间的横向圆弧弧线为切割线，切除从所述切割线到所述叶轮的圆心的实体，剩余的实体为叶片，得到从所述切割线到所述叶片的下表面之间的弧面即为所述叶根部，所述叶根部与所述叶轮的轮毂相连。
风力发电机叶片设计
风力发电机叶片设计风力发电机叶片设计是指设计和制造适合风力发电机使用的叶片，以最大程度地从风能中获取能量，并将其转换为电能。
叶片设计的主要目标是提高发电机的效率、降低维护成本和延长叶片使用寿命。
下面将从叶片设计原理、材料选择、几何形状和结构设计等方面详细介绍风力发电机叶片设计。
叶片设计的原理是基于空气动力学原理，即通过叶片与风之间的相互作用来获得动力。
在设备运行过程中，叶片受到来自风的力和阻力的作用。
为了提高风能的捕获效率，叶片需要具备良好的气动性能，使风能充分地传递到发电机上。
材料选择是叶片设计的重要环节。
叶片需要具备良好的强度和刚度来承受风压力和旋转力。
常用的材料包括玻璃纤维增强塑料（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和木材等。
其中，GRP是最常用的材料之一，因为它相对便宜且易于加工。
CFRP 具有较高的强度和刚度，但成本较高。
木材具有较好的弹性和耐久性，但需要进行防腐处理。
叶片的几何形状是影响风能捕获效率和运行稳定性的重要因素。
几何形状包括叶片长度、弦长、扭转角和平均弯曲半径等。
一般来说，叶片长度越长，捕获风能的面积越大，但受到的风力也越大。
叶片的弦长和扭转角决定了叶片的气动特性，对叶片的刚性和强度要求也有一定影响。
平均弯曲半径则影响了叶片的载荷分布和结构强度。
叶片的几何形状需要通过数值模拟和实验验证来确定最佳设计。
叶片的结构设计是确保叶片可以顺利运行并承受外部环境力量的关键。
结构设计包括叶片的内部结构、连接方式和防护措施等。
叶片常常采用空心结构，以降低自重和提高强度。
连接方式通常采用螺栓连接或胶粘剂连接。
叶片的内部结构可以通过加入加筋肋、填充泡沫等方式来增加刚度。
为了防止叶片受到外部环境的侵蚀，叶片表面通常采用防腐涂层或防风腐蚀材料。
除了以上设计原则，叶片的制造工艺和质量控制同样重要。
制造工艺包括叶片模具设计、复合材料制备、成型和固化等。
质量控制需要对叶片的尺寸、质量和结构进行严格控制，以确保叶片的一致性和可靠性。
219432803_扩散型风力机叶片的优化设计
扩散器叶轮风向图1 扩散型风力机的结构示意图Fig. 1 Structure diagram of DAWT国内的田德教授团队在扩散型风力机领域开展了多年研究，主要是通过仿真[3-4]或者实验方法，研究不同扩散器结构内部的流场特性，分析扩散器的结构变化对风电机组输出功率的影，女，博士、副教授，主要从事机械加工、新能源开发方面的研究。
****************.cnV 0V 0V 1V 3V 4V 2=V 1V 4=u 1Rr d rV 0V 0V 01 2 340叶轮横截面扩散器图2 扩散型风力机的气动原理示意图Fig. 2 Schematic diagram of aerodynamic principle of DAWT从图2可以了解：由于扩散器通流截面发生变化，下游的压降导致风的质量流量增加，使到达叶轮的风速增大，从而提高了风电机组的输出功率。
文献[7]给出了扩散型风力机经典的风能利用系数C p 定义，即：C p =ε 1– V 4– (1–ηd )(1–β2) ε2 (1) V 0式中：ε为叶轮平面处风速与来流风速的加((]]φφθWγaV0γ(1-a)V0D LγΩΩa′wαF TF N旋转面图3 扩散型风力机上叶素的受力分析Fig. 3 Force analysis of blade elements on DAWT叶素的法向力系数C N和切向力系数义分别为：= F N=C L cosφ+C D sinφ (8)0.5ρW2c= F T=C L sinφ–C D cosφ (9)0.5ρW2c式中：C L和C D分别为翼型的升力系数和阻力系数；c为叶素弦长，m。
叶素受到的推力d T、叶片对转轴的转矩和转矩系数C M分别表示为：ρV1wr2d A=2ρa′γ(1–a)V0Ωr d A=ρV1wr d A=2ρa′γ(1–a)V0Ωr2d A=d M=4a′γ(1–a)Ωr20.5ρV02d A V0叶片d r微元段上产生的功率d P可表示为：Ωd M=2ρa′γ(1–a)V0Ω2r2d A (13)由式(8)和式(10)可以得到：a= γ2BcC Na 8πr sin2φ式中：B为风力机叶轮的叶片数。
大功率风电机叶轮设计参数研究
叶轮设计参数研究摘要：设计优良的叶轮是使风力发电机获得最大经济效益的基础。
在风机设计时如何确定叶轮设计参数一直是风机设计研究的重要内容。
为此必须在明确设计条件、设计规范的基础上，研究叶片设计参数的影响因素、参数确定方法和取值范围。
风轮设计参数包括： 1）风轮叶片数B ；2）风轮直径D ；3）设计风速V1；4）风轮转速Ω；5）尖速比0λ；6）实度0σ；7）其它：风轮锥角，风轮倾角等。
根据风场实际，结合国内外设计资料，运用相关理论，采用对比、归纳、建模计算等方法，给出叶轮设计参数的工程确定方法与实例。
关键词：风力发电， 风机叶轮， 设计参数中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：To do research for the design parameter of wind rotor in great power wind generatorQugui Yangyong Wuxiaodan(Department of Mechatronic Engineering ，GuangDong Polytechnic Normal University ，Guangzhou 510635，China )Abstract:Based on better designed wind turbine, better economic profit can be gained. In the course of designing wind turbine, it is the important part in designing research that how to make the parameter for wind turbines certain. Therefor we need being definitude concerning the condition and criterion, re.search.the influence factor of design parameter.1)The amount of blade B;2) The diameter of wind turbines D;3) designing wind speed V;4）Rotate speed of wind turbine Ω;5)The ratio with bladetineand and wind speed 0λ;6)The ratio of acreage 0σ;7) the other parameter: cone angle , obliquity of wind turbine and so on. Bases the fact of the wind farm, link the designing datum , application of the concerned theory, the engineering method of designing wind turbine is confirmed with the contrast, epagoge and modeling calculation.Keywords: wind power generating ， wind rotor ，design parameter0 引言要完成风力发电机的叶轮设计，必须首先确定叶轮设计参数。
基于相似理论的1.5MW风力发电机叶片模型的设计
2020.36科学技术创新基于相似理论的1.5M W 风力发电机叶片模型的设计陈松利李明万大千(内蒙古农业大学能源与交通工程学院,内蒙古呼和浩特010018)随着气候条件的恶化和洁净能源开发和利用,促进了风力发电行业的迅速发展,甘肃、新疆及内蒙古中西部地区是我国风资源最丰富的地区之一,我国大型风电场主要分布在这些区域,这些地区也是沙尘暴高能活动区域,风力发电机叶片在风沙环境中运行时会受到挟沙风的冲蚀,导致前缘涂层遭受破坏,难以保持良好的气动外形,影响发电量,并且降低了叶片使用寿命,同时也增加了叶片的维护成本[1-2]。
因此,其研究主要集中在对风沙环境中对叶片的冲蚀问题。
为了全面掌握大风机叶片在风沙环境中冲蚀磨损情况及对翼型气动性能变化规律和机理,需要设计大型风力机叶片相似模型,进行测试试验,为开发适合高风沙恶劣环境下叶片翼型设计提供一定依据。
1相似理论由流体力学相似原理可知,当几何相似和物理相似均可满足的条件下,两个流动的若干无量纲数只要对应相等,则可保证二者相似[3-5]。
风力发电机实验模型叶轮与原型机组相似是指在模型机叶轮试验过程中,当空气流经模型叶轮时与原型机叶轮流动相似,其空气的能量传递过程与原型机也相似。
2风力机相似条件风力机相似条件的推导,先做如下假设:V 1、V 1m ———风力机实物与模型前方来流风速;V 2、V 2m ———风力机实物与模型的下游风速;V 、V m ———风力机实物与模型的风速;U 1、U 1m ———风力机实物与相似模型叶片叶尖处的圆周速度;U 、U m ———风力机实物与相似模型叶片某半径处的圆周速度。
如果实物和模型相似,则存在以下关系式:(1)由上式可得出:(2)(3)设r 为风力机实物任意半径;r m 为模型任意半径;I 风力机实物任意半径处叶素的倾角;I m 为模型任意半径处叶素的倾角,则:(4)(5)而(6)根据式(4)(5)(6)则有:(7)式(1)(2)(7)说明:(1)相似模型和原型机风轮各对应出的叶素倾角相等;(2)如果忽略叶素表面粗糙度的影响和雷诺数的影响,则实物和模型的叶片升力系数和阻力系数也相等。
垂直轴风力发电机的设计与实现
垂直轴风力发电机的设计与实现随着能源需求的不断增长和对环境保护意识的增强，新能源的开发和利用逐渐成为人们关注的热点。
其中，风能作为一种清洁、可再生资源，得到了越来越多的关注和重视。
风力发电机作为利用风能的主要设备之一，不断进行着技术革新和创新。
其中，垂直轴风力发电机的出现，为风能的利用带来了新的思路和技术路线。
一、垂直轴风力发电机的优点相较于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具备以下优点：1.更加适合复杂地形和城市环境。
由于垂直轴叶片朝向不固定，而且发电机自重轻，可以更好地适应复杂的风场环境和城市建筑群丛。
2.性能更加稳定。
垂直轴风力发电机在不同风速下，发电效率均能保持在较高的水平，稳定性更好。
3.维护成本更低。
由于垂直轴风力发电机拥有更少的部件，并且更方便进行维护、更换，因此维护成本更低。
二、1.叶片设计垂直轴风力发电机的叶片设计主要考虑叶片的形状、倾斜角度、长度等因素。
一般来说，叶片应当尽可能长，以增加风能利用率，并且采用气动优化技术对叶片进行设计，以保证更好的风能利用效率。
2.轴承设计垂直轴风力发电机的轴承设计需要考虑到机组旋转过程中的扭矩、径向载荷、轴向载荷等因素，以保证其稳定性和可靠性。
同时，采用高强度材料和关键部件的精密加工技术，以确保轴承的耐用性和可靠性。
3.发电机设计垂直轴风力发电机需要配备高效、稳定的发电机，以将捕捉到的风能转化为电能。
发电机设计主要考虑电机转速、功率输出能力、电机散热等因素。
4.控制系统设计垂直轴风力发电机的控制系统需要采用先进的数字控制技术，实现对风车旋转速度、匹配不同风速下的灵活调节等功能，最大化利用风能资源。
5.结构设计垂直轴风力发电机结构设计应当注重轻量化、紧凑化，以便于安装和运输。
同时，应考虑到抗风性能、防腐性能等因素。
三、垂直轴风力发电机的应用前景垂直轴风力发电机因其在适应复杂地形和城市环境方面的优势，以及更加稳定、便于维护、性价比更高等优点而备受关注。
垂直轴风力发电机研究报告
垂直轴风力发电机研究报告第一篇：垂直轴风力发电机研究报告近年来，清洁能源的重要性日益凸显。
在各种清洁能源技术中，风力发电技术因其可再生、环保、成本较低等诸多优势备受关注。
而在众多风力发电机型中，垂直轴风力发电机以其独特的结构和工作原理而备受研究者的关注。
垂直轴风力发电机以垂直竖直放置的转子为特征，相较于传统的水平轴风力发电机，具有结构简单、易于安装和维护等优势。
其工作原理是通过自由转动的垂直轴将风能转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。
在这一过程中，由于垂直轴和转子受力均匀，使得垂直轴风力发电机在承受大风时更加稳定，不易受到外界环境的干扰。
垂直轴风力发电机的设计和研究工作主要集中在提高其发电效率和运行稳定性方面。
首先，研究者通过改进垂直轴和转子的形状和材料，以提高风力捕捉效率。
其次，通过优化垂直轴风力发电机的叶片数目、叶片宽度和叶片倾角等参数，以提高其在不同风速下的发电性能。
此外，研究者还通过改进发电机的磁场分布和磁通密度，提高其电能转化效率。
虽然垂直轴风力发电机具有许多优势和潜力，但其也存在一些挑战需要克服。
首先，垂直轴风力发电机的发电效率相对较低，尚不足以与传统的水平轴风力发电机相媲美。
其次，垂直轴风力发电机的噪音和振动较大，对周围环境和人体健康造成一定的影响。
此外，由于垂直轴风力发电机在大风环境下性能较为稳定，因此在低风速环境下的发电效率较低。
为了解决上述问题，研究者需要进一步改进垂直轴风力发电机的设计和工艺。
首先，可以通过优化叶片的形状、减小叶片材料的摩擦阻力，减少风能的损失。
其次，可以采取一些减振措施，如改进转子结构、增加阻尼装置等，以减小垂直轴风力发电机的噪音和振动。
另外，可以通过增加并联系统或借助存储装置等技术手段，改善垂直轴风力发电机在低风速环境下的发电效率。
综上所述，垂直轴风力发电机作为一种新型的风能利用技术，具有广阔的应用前景。
虽然其在设计和性能上还存在一些问题，但通过不断的研究和改进，相信垂直轴风力发电机将会成为未来清洁能源领域的重要组成部分，为人类提供更多可再生的清洁能源。
风力机叶轮设计解析
ldr cos
将上式投影到转轴上，设叶片数为n，则轴向推力为
dT
1 2
Cln
v2
sin2
cos( cos
) ldr
与上文相同的式子等同，则得到
Clnl
4r
sin2 cos( )
已知在最佳运行条件下
v
2 3
v1
，则
cot
r v
3 r 2 v1
3
2
为叶尖速比---------叶尖圆周速度与风速的比值
-----攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角 0 -----零升力角，弦线与零升力线之间的夹角 -----升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角
理论基础
风能计算
由一般的流体力学可知，气流的动能可以表示为：
E
1 mv 2
2
设单位时间内气流流过的单位面积 S 的气体体积为 V ，气体密度为
则气流所具有的动能表示为
E
1 2
Sv 3
其中密度和风速随着地理位置，海拔高度，地形等因素而改变， 速度为主要因素
贝茨理论
假设条件 叶轮没有轮毂，具有无限多叶片 气流通过风轮时没有阻力 气流经过整个风轮面时是均匀的 气流速度方向在风轮前后通过风轮时是沿风轮轴线方向 气体为不可压缩气体
连续性条件 S1v1 S2v 2
作用在风机上的力
风力发电机叶片设计
叶片形状设计 理论基础 现有翼型及其特点 辅助优化设计方法
制造材料和工艺
现有各种制造材料及其特性的介绍 制造工艺介绍
叶片和翼型的几何形状与空气动力特性
翼型的参数
l -----翼型的弦长，A点到B点的长度 C -----最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度 f -----翼型中线最大弯度
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水平轴风力机是当今应用最广的一种风力机,垂直轴风力机也有着自身优越的性能,并越来越被人们所重视.介绍垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的优缺点,以及垂直轴风力机的最新应用及其发展趋势.
3)根据多自由度模态分析理论,提出了“弹性铰”力学模型,对水平轴风力发电机塔架的振动模态进行了仿真。运用矩阵迭代法对模型进行数值计算,分析了塔架在自由振动时的力学特性,获取了塔架的固有频率和振型。结果表明,塔架的一阶固有频率高于叶片通过频率,属刚性塔,不会因风轮激励而产生共振;依据振动理论,塔架振动过程的能量主要集中于一、二阶频率处,而一、二阶振型均为摆振,因此摆振是塔架的主要振动方式,是引起塔架疲劳破坏的主要原因。
8.学位论文王介龙大型水平轴风力机耦合动力学系统气弹响应与稳定性分析2001
该文针对复杂的风力发电机结构进行转子/机舱/塔架耦合动力学系统的气弹响应与稳定性分析,建立了一套精确可行的有限元分析方法,并完成必要的参数设计.大型水平轴风力发电机的模型为流-刚-柔耦合的强非线性周期时变多体系统.该文与已有的方法不同,推导了一种新型的5节点25自由度刚柔混合梁单元模型.在气弹动力学响应分析中,应用
4.期刊论文马晓爽.高日.陈慧.MA Xiao-shuang.GAO Ri.CHEN Hui风力发电发展简史及各类型风力机比较概述-应用能源技术
2007,""(9)
当今对风能的利用,主要是用来发电,通过对风能发电历史的回顾和对水平轴和垂直轴风力发电机的比较,使人们对垂直轴风力发电机有了更加广泛的认识.
9.会议论文张维智.王卫华大型水平轴风力机风轮利用效率的估算探讨2009
由于水平轴风力发电机在运行时无法获得前方来流的速度,风轮效率和功率计算时往往采用风轮后的风速来进行,因而在计算风轮效率时产生很大的偏差,本文应用动量理论
,通过对DEWIND-D8水平轴风力发电机风轮利用效率进行计算,获得了水平轴风力机风能利用的实际效率值要比计算效率值偏差很大,同时指出了产生计算误差的理论原因。
7.期刊论文田海姣.王铁龙.王颖.TIAN Hai-jiao.WANG Tie-long.WANG Ying垂直轴风力发电机发展概述-应用能源技术2006,""(11)
能源危机是我们面对的最大挑战,风力发电是具有大规模发展潜力的可再生能源,在远期有可能成为世界重要的替代能源.水平轴风力机是目前应用最广的一种风力发电机,垂直轴风力机有着优越的性能,并越来越被人们所重视.主要论述了达里厄风力机的优良性能及其发展.
风力发电机的叶片设计方法研究
作者:王凡
学位授予单位:南京理工大学
1.期刊论文包能胜.蔡佳炜.倪维斗.叶枝全.Bao Nengsheng.Cai Jiawei.Ni Weidou.Ye Zhiquan小型水平轴风力机襟翼增升实验研究-
3.学位论文宗楠楠小型水平轴风力机叶片设计与有限元分析2009
为了更好地发展我国的风力发电事业,实现风力发电机的国产化,必须通过深入系统的研究,掌握风力机及关键零部件的设计和分析技术。本文根据传统的叶片设计方法设计了400W小型水平轴风力机叶片,生成了三维几何模型。然后采用有限元方法对叶片进行了振动模态分析,得到各阶振动频率和振型,为防止结构共振提供了依据。针对小型风力机叶片强度分析的特点,提出了一种梁单元与实体单元相结合的高效率的有限元建模方法,并将分析结果与文献中的试验结果相对比,验证了该建模方法的有效性。用该方法分析了自行设计的应用于风光互补路灯的小型风力机叶片在额定风速下的受力与变形,验证了叶片的安全性。
15自由度的梁单元有限元பைடு நூலகம்型,同时考虑桨叶相对浆毂连接处有挥舞、摆振和变矩的刚体转动.响应分析中,应用Hamilton原理,建立桨叶在做刚体一般运动的非惯性参与系中的动力学方程,同时分别建立短舱在非惯性系中的刚体动力学方程与塔架在惯性坐标系中的动力学方程.数值计算分析中,主要计算了刚性支撑系统时具有不同预锥角的桨叶周期稳态响应;转子-短舱-塔架在不同桨叶预锥角、不同短舱-塔架连接刚度、不同静不平衡及有无重力等情况下的周期稳态响应,和相对应的运动稳定性分析.
5.学位论文赵先民水平轴风力机动力特性和流场的数值模拟2007
风力发电机是通过风获得能量的一种设备。现代风力发电机由一系列复杂的子系统组成,风力机主要组成部分包括:叶片、塔架、轮毂、机舱、地基基础、传动设备和控制系统。目前,世界风力机发展的趋势是大型化和柔性化,以便于提高发电效率并降低发电成本。
由于风本身多变的特性,风力机时常在恶劣的环境中工作。风力机在运行中会经常遭遇大风、阵风等不良天气。由于风荷载的脉动性和风力机自身的柔性结构的特点,诱使风力机产生振动,由大风引起的风力机结构破坏时有发生。因此,人们迫切需要对风力机整机进行抗风分析,风力机整机抗风分析的基础是研究风力机整机的结构动力特性和流场特性。 本文主要研究以下两个方面:
4)利用ANSYS软件中的优化设计模块,以塔筒的壁厚为设计变量,以材料的许用应力为约束,以塔架的体积为目标函数进行了优化设计,最终得到圆筒型塔架壁厚的最优值。并验证了优化后的塔架满足静强度、模态分析、疲劳强度以及屈曲强度等方面的安全性能,为塔架的优化奠定了理论基础。
研究表明,关于风力机塔架的振动是影响风力发电机组稳定性和整机性能的关键性研究,是风机研究的基础性问题。
第一个方面是叶片和风力机整机的结构动力特性分析。利用商用有限元软件ANSYS,建立起风力机叶片和整机的有限元计算模型,进而分析叶片以及整机的模态和自振频率这些结构振动方面的参数。
第二个方面是用计算流体动力学(CFD)来模拟风力机的流场。首先概述计算流体动力学的基本数学、力学理论基础。然后简单介绍了CFD商用软件Fluent的特点。最后,本文通过商用CFD软件Fluent对风力机的外流场作了初步的研究。
本文的上述工作可以为进一步的风力机抗风分析打下基础。
6.学位论文陈彦大型水平轴风力机结构动力响应与稳定性研究1999
大型水平轴风力发电机为由桨叶-短舱-塔架组成的刚-柔耦合、流-固耦合的多体系统,尤其是桨叶为随时间周期性变化的变结构体系,其结构与运动的复杂性很大.该文研究了大型水平轴三叶片固定式桨毂风力发电机的结构机械动态响应问题,也研究了该结构的稳定性问题.为了精确地描述具有中等挠度的大型桨叶结构,该文进行响应分析中,采用了5节点
2.学位论文吕钢基于有限元法的水平轴风力机塔架动态响应与优化问题研究2009
被称为“蓝天白煤”的风力资源,是一种取之不尽、不会产生任何污染的可再生新能源。随着大型水平轴风力发电机组的单机容量向10MW级水平以及塔架高度向120m高度发展
,作用在塔架上的风载荷的交变性和随机性将更为明显,因此,对于塔架的结构动力学特性分析,是发展风力发电产业的重要基础研究工作之一。
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太阳能学报2008,29(1)
在研究以前工作的基础上,探讨了在风洞中采用小型风力机整机在叶片上加襟翼来提高桨叶气动效率、增加功率可行性的实验研究.实验是在汕头大学的双速回流风洞中进行的
.作者设计了实验方案,测量了机组在不同来流和襟翼高度工况下的输出功率,并和没有襟翼时的输出功率进行了对比.最后采用风力机气动数值计算结果,对实验结果进行了理论上的说明.
1)在风压和风切变产生的随机激励扰动的作用下,进行了塔架的静强度分析,检验了塔架在各种载荷情况下的最大应力是否超出材料的许用应力,是否满足静强度要求。极限情况下塔架的受力是静强度分析的重点,是影响风力机使用寿命的关键。
2)基于塔架的静强度分析,找到塔架的疲劳危险点,通过研究危险点处的疲劳情况,来衡量整个塔架的疲劳状况,通过ANSYS的疲劳分析模块,验证了风力机塔架使用寿命情况,合乎风力机塔架的设计使用寿命,满足疲劳强度要求。
塔架是风力发电机主要的承重部件,直接影响机组的稳定性和整机性能。本文在分析了现阶段国内外风力发电技术的发展状况及趋势的基础上,引入致动盘概念和叶素理论,以MW级风力发电机组为对象,对塔架在极限载荷等变工况下的静强度、疲劳强度和动力学响应问题进行了研究。利用ANSYS力学分析软件,对大型风力发电机的圆筒型塔架进行了数值仿真研究,为塔架的动态设计提供了理论依据。通过仿真研究获得的主要结论如下:
Hamilton变分原理推导了非惯性系中的转子动力学方程.在运动稳定性分析中,系统各个部分通过机舱偏转自由度、塔顶6个自由度相互耦合在一起.对稳态周期解进行摄动,得到线性化的周期时变动力学方程,根据Eloquet理论判断系统运动稳定性.该文采用时域内的Newmark数值积分方法计算转换矩阵.最后,研制了风力机耦合转子/机舱/塔架动力学系统气弹响应与稳定性分析软件,并应用于工程算例的计算分析.