大型风电机组叶片翼型的设计方法
轴流风机机翼型叶片参数化建模方法
如何进行轴流风机机翼型叶片参数化建模方法一、引言轴流风机在现代工业中起着至关重要的作用。
它们被广泛应用于空调系统、通风系统、发电厂和飞机引擎等。
轴流风机的性能和效率直接受到其机翼型叶片设计的影响。
对于轴流风机机翼型叶片的参数化建模方法的研究至关重要。
在本文中，将深入探讨轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的相关内容，并提出一些个人观点和理解。
二、轴流风机机翼型叶片的重要性1. 减小能耗轴流风机的主要任务是输送空气，因此其能效对于工业生产至关重要。
合理设计的机翼型叶片可以减小能耗，提高风机的效率，从而为工业生产节约能源和成本。
2. 提高稳定性良好设计的机翼型叶片能够提高轴流风机的稳定性和耐用性，降低风机运行时的噪音和振动，从而延长设备的使用寿命。
三、轴流风机机翼型叶片参数化建模方法1. 采用CAD软件进行建模利用CAD软件进行轴流风机机翼型叶片的参数化建模是一种常见的方法。
通过在CAD软件中进行参数化设计，可以方便快捷地进行叶片形状的调整和修改，从而实现机翼型叶片的优化设计。
2. 利用计算流体力学(CFD)进行仿真分析结合计算流体力学(CFD)方法，可以对轴流风机机翼型叶片的流场进行精确模拟和分析，从而优化叶片的形状和结构，提高风机的性能和效率。
3. 基于参数化建模的优化设计通过建立基于参数化建模的优化设计方法，可以对轴流风机机翼型叶片的关键参数进行全面的优化设计，从而实现最佳的风机性能和效率。
四、个人观点和理解在我看来，轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的研究对于提高轴流风机的性能和效率至关重要。
通过不断优化设计，可以实现能源的节约和环境的保护。
同时, 研究轴流风机机翼型叶片参数化建模方法也有助于加深对于风机流体力学行为的理解，对于未来的风机设计和改进有着积极的影响。
五、总结和回顾本文深入探讨了轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的相关内容，介绍了CAD软件建模、CFD仿真分析和基于参数化建模的优化设计等方法。
翼型风力机叶片的设计与三维建模论文
甘肃机电职业技术学院现代装备制造工程系毕业论文翼型风力机叶片的设计与三维建模姓名：王成寿学号： 142000848班级：G142701年级：2014级指导老师：杨欣风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
其蕴量巨大，全球的风能约为 2.74×10^9M W，其中可利用的风能为2×10^7M W，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。
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。
依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
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。
本课题研究水平轴风力发电机的叶片设计、实体建模。
主要任务如下：1.编制叶素轴向、周向速度诱导因子、最佳弦长及扭角的计算的界面程序；2.根据程序计算并绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线；3.根据程序计算并绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线；4.将所设计的叶片的三维模型的进行实体建模。
关键词：风力发电，风力机叶片，三维建模摘要 (1)1、综述 (1)1.1、风力机简介 (1)1.2、风力机简史 (1)1.3、风力机的特点 (2)1.4、风力机的基本原理 (2)1.5、风力机的构成和分类 (3)1.6、风力机存在的问题 (3)1.7、本课题的背景目的及主要工作 (4)2、风力机设计理论 (6)2.1、翼型基本知识 (6)2.2、叶片设计的空气动力学理论 (7)2.2.1、贝茨理论 (7)2.1.2、叶素理论 (8)2.1.3、动量理论 (9)2.3、风力机的特性系数 (10)2.3.1、风能利用系数C p (10)2.3.2、叶尖速比λ (10)2.4、翼型介绍 (11)2.4.1、翼型的发展概述 (11)2.4.2、N A C A翼型简介 (11)3、风力机叶片的设计 (13)3.1、风力机叶片的外形设计 (13)3.1.1、叶片设计的总体参数 (13)3.1.2、确定风轮直径D (13)3.1.3、翼型弦长计算 (14)3.1.4、叶片重要参数的选取 (14)3.2、叶片优化设计的计算程序编制 (16)3.3、V B编程计算翼型参数 (16)3.3.1、风力机设计参数 (16)3.3.2、需要计算的参数 (16)3.3.3、V B程序界面 (17)3.3.4、运行结果 (17)4、利用S o l i d w o r k s三维建模 (19)4.1、N A C A4412翼型相关数据 (19)4.2、模型展示 (20)5、总结 (25)参考文献 (26)致谢 (27)1、综述1.1、风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
风力机叶片设计及翼型气动性能分析
风力机叶片设计及翼型气动性能分析风力机叶片是风力发电机的核心部件之一，其设计和翼型选择对风力机的发电效率、噪音和寿命等都有着非常重要的影响。
本文将介绍风力机叶片的设计及翼型气动性能分析。
一、叶片设计原理风力机叶片的设计目的是将大气中的风能转换成旋转能，并将其通过转轴传递给发电机，从而产生电能。
因此，叶片的设计主要围绕以下几点展开：1. 创造足够的扭矩：风力机的转子需要达到一定的转速才能发电，而叶片的弯曲和扭矩对于旋转速度的影响至关重要。
设计中需要选择合适的曲线形状和长度来实现理想的扭矩和转速。
2. 保证叶片的强度和稳定性：因叶片在高速旋转状态下会受到巨大的惯性力和风力力矩的作用，因此其材料和结构要足够坚固和稳定，以避免可能的断裂等事故。
3. 提高叶片的气动效率：叶片的气动效率是指其转化风能的能力，通常可以通过优化翼型、减小阻力、降低风阻等方法来提高。
二、叶片设计步骤1. 选定叶片长度：叶片长度通常是根据风力机的规格和性能要求来确定的，也可以根据标准长度来选择。
2. 选择翼型：翼型是叶片的重要组成部分，其形状和性能决定了叶片的阻力和气动效率。
目前，常用的翼型有NACA0012、NACA4415等，根据实际需求来选择。
3. 确定叶片曲线：叶片的曲线是决定扭矩和转速的关键因素，可以通过实验或模拟方法得到合适的曲线形状。
4. 优化叶片的结构：结构设计主要涉及到叶片的强度和稳定性，通常需要进行材料选择、计算等工作以保证叶片的安全性和寿命。
5. 模拟叶片气动特性：叶片的气动特性可以通过流场模拟、试验等方式来获取，可以根据实际需求来对叶片进行调整以达到理想的效果。
三、翼型气动性能分析翼型气动性能是指翼型在气流中运动时产生的力和力矩，其中，升力和阻力是翼型气动力的主要组成部分。
通过分析翼型气动性能，可以选择最优化的翼型来设计叶片。
1. 升力和阻力翼型的升力和阻力是由翼型形状、气流速度、攻角等因素共同决定的。
实际上，翼型的气动性能曲线通常都是非线性的，其升力和阻力特性会随着攻角的变化而不断变化。
风力发电机组叶片设计与优化
风力发电机组叶片设计与优化随着现代社会对可再生能源的需求不断增长，风力发电已成为一种广泛使用的能源。
对于风力发电机组而言，叶片是其中最为重要的组件之一。
它们负责将风能转化为机械能，并将其传递到发电机上。
因此，叶片的设计和优化对风力发电机的性能和效率至关重要。
在本文中，将会介绍风力发电机组叶片设计和优化的一些关键要素。
一、叶片设计的关键因素风力发电机组的叶片需要在不同的气流条件下工作，如风速、气流水平度和湍流强度等。
因此，在叶片的设计过程中，需要考虑以下因素：1、气动特性：叶片的气动特性是叶片性能的关键因素。
气流接触叶片表面时，会在叶片的上表面形成凸起，而在叶片的下表面则形成凹陷。
这种气动效应产生的升力将会推动叶片旋转。
2、材料：叶片的材料需要承受各种气流条件下的压力和应变，同时还需要具有足够的强度和刚度来承受自身重量和旋转惯性力。
常用的叶片材料有复合材料、玻璃钢和木材等。
3、长度和形状：叶片的长度和形状会影响其升力和扭矩。
长而窄的叶片具有较大的升力和较小的扭矩，而短而宽的叶片则具有较小的升力和较大的扭矩。
二、叶片设计的优化方法为了使叶片在不同的气流条件下具有最佳的性能和效率，需要进行叶片设计的优化。
以下是一些常用的叶片设计优化方法：1、拉格朗日方法：这种方法将叶片的运动视为拉格朗日方程的变量，并使用优化算法来寻找最佳的设计方案。
2、遗传算法：这种方法利用进化算法来找到最优的叶片设计。
在每一代中，将对当前设计的参数进行微调，以便更快地寻找到最佳设计方案。
3、CFD模拟：CFD(计算流体动力学)模拟可以对叶片在不同的气流条件下的工作进行模拟和分析。
这可以帮助优化叶片的设计和性能。
三、叶片设计的未来趋势风力发电机组的叶片设计已经取得了长足的进步，但是仍然存在一些挑战需要克服。
其中最重要的挑战之一是提高叶片的效率。
这可以通过采用新材料、优化叶片形状和增加叶片长度等手段来实现。
此外，尽管目前风力发电机组的叶片已经非常巨大，但是大型风力发电机组可能需要更长的叶片，以产生更多的电力。
风力机翼型的设计优化方法研究-(预答辩)
7、后续展望பைடு நூலகம்
（1）叶片表面粗造度对翼型性能的影响还未曾有 过研究，该研究可为叶片蒙皮技术提供理论指导。
（2）在后续研究中可以考虑叶片内部结构、叶片 的制造工艺等，使叶片有利于加工和运输。
（3）积极查找国外翼型的相关设计和实验气动性 能数据，完善翼型数据资源。
（4）设计过程需要考虑叶片实际运行时的弹性问 题，使风机运行更稳定。
（4）通过了Profili软件详细分析弯度对翼型气 动性能的影响。（提高升力，减小阻力，提高升 阻比，提高风能利用率）
3、论文主要的内容
5） 详细介绍了应用Xfoil软件和Profili软件获得 小迎角下翼型的气动系数方法。
3、论文主要的内容
（6） 通过AirfoilPrep-v2p2软件将翼型的气动系 数获取范围扩展到-180°至180°之间。
（2）通过对以发电量最大、风场收益最大和度电 成本最小的设计目标进行举例分析，得出风场收益 最大的最优设计思想。
（3）要用科学辩证的思想看待风场收益和度电成 本之间的平衡问题。
6、本文特色
（1）创新性提出了将Xfoil软件和Profili软件两 种设计结果平均后再分析翼型的性能。 （2）解决了Profili软件不能输出新设计翼型坐标 的问题。 （3）提出了风场收益最大化的设计思想。 （4）分析弯度对翼型气动性能的影响。
4、创新研究内容
1、研究叶片高度、弦长和风速对雷诺数的影响。
2、研究获得迎角在-180°～180°区间内的翼型 气动系数方法。
3、研究弯度对翼型气动性能的影响。
4、研究以风场收益最大为目标的叶片翼型设计优 化方法。
5、主要结论
（1）将Xfoil软件和Profili软件的设计结果进行 加权平均，能得到更加可信的理论数据。
大型风电叶片结构设计方法研究
大型风电叶片结构设计方法研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环保意识的逐渐加强，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，正在全球范围内得到广泛的关注和应用。
风电叶片作为风力发电机组的核心部件，其结构设计直接关系到风电机组的运行效率和安全性。
研究和优化风电叶片的结构设计方法具有重大的理论价值和现实意义。
本文旨在探讨大型风电叶片结构设计的方法论，结合国内外的研究现状和发展趋势，分析风电叶片结构设计的关键要素和难点问题。
通过深入研究，本文提出了一种基于有限元分析的大型风电叶片结构设计方法，旨在提高风电叶片的结构性能，降低制造成本，推动风电行业的可持续发展。
本文首先对风电叶片的结构特点和设计要求进行了概述，然后详细介绍了有限元分析的基本原理及其在风电叶片结构设计中的应用。
在此基础上，本文提出了一种基于有限元分析的风电叶片结构设计流程，包括材料选择、模型建立、边界条件设置、分析计算和后处理等环节。
通过对实际案例的分析和计算，验证了本文提出的设计方法的有效性和可行性。
本文的研究成果将为大型风电叶片的结构设计提供新的思路和方法，有助于提升风电叶片的性能和可靠性，降低风电成本，促进风电行业的健康发展。
本文的研究方法和成果也可为其他领域的结构设计提供参考和借鉴。
二、风电叶片结构设计的基本原理风电叶片的结构设计是一项涉及多学科知识的复杂工程，其基本原理主要包括材料力学、空气动力学、结构动力学以及制造工艺学等。
这些原理共同构成了风电叶片设计的理论基础，指导着设计师在保证叶片性能的实现结构的优化和轻量化。
材料力学原理是风电叶片结构设计的基石。
叶片需要承受复杂的风力载荷，包括静力载荷和动力载荷，因此要求材料具有良好的强度、刚度和疲劳性能。
设计师需要根据材料的力学特性，合理选择叶片的材料和截面形状，确保叶片在各种工作条件下都能保持稳定的性能。
空气动力学原理对风电叶片的设计至关重要。
叶片的形状直接影响风能的捕获效率和转换效率。
风力机叶轮设计.
1 2 P S(v 1 v 2 )(v 12 v 2 ) 4
2 v 1 是已知条件，所以可得 v 2 1 v 1 时，此时 v v 1 风轮功率最大。 3 3
所以，风轮的功率如下
Pmax
8 Sv 13 27
max
Pmax
1 Sv 13 2
16 0.593 27
表明粗糙度和雷诺数的影响
粗糙度对表面边界层的影响很大，在叶片失速的时候，噪声会增大，引起震 动。 有限翼展的影响 会在叶尖产生涡流，形成阻力，该阻力称为诱导阻力。
实际工程中设计方法介绍 Glauert理论
对于有限长的叶片，叶轮叶片的下游存在着尾迹涡，从而形成两个主要 的涡区；一个在轮毂附近，一个在叶尖。对于空间的某一个定点，其风 速可以被认为是由非扰动的风速和涡流系统产生的风速之和。
C lnl
16 9
r
4 2 (1 tan ) 9 3
2
设叶尖处和距转轴半径r处的尖速比分别为 同时，由于
0
tan
R v1
和
r v1
，
为小值，所以上式可以再简化为
16 C lnl 9
R r2 4 0 0 2 9 R
2
只需要再确定R和
0 的值即可。
Glauert的升级版，考虑的非工况下 风轮的性能
基于Soildworks的叶片绘制（前端处理）
用Profili软件进行数值模拟
用ANSYS进行叶片动静载荷，震动分析
叶片材料
木制叶片及布 蒙皮叶片
• 近代微、小型，观赏用风力发电机也有用木制叶片，由于叶片不易弯曲，常采用等安装角叶片。在采用木 制叶片的时候需要用强度很好的整体方木做叶片纵梁来承担工作时候所需要承担的力和弯矩。
风力发电机组的叶片设计与优化
风力发电机组的叶片设计与优化1. 引言风力发电是一种清洁能源，具有环保和可再生的特点。
而风力发电机组的叶片设计则是该系统中至关重要的组成部分。
本文旨在探讨风力发电机组叶片的设计原则和优化方法，以提高发电效率和性能。
2. 叶片设计原则2.1 翼型选择翼型的选择对叶片的性能有着重要影响。
常用的翼型包括NACA飞机翼型和DU系列风能翼型等。
在选择翼型时，要考虑到其气动性能、抗风能力和韧性等因素。
2.2 叶片形状叶片形状的设计应兼顾力学特性和气动性能。
叶片长度、扭转角度、宽度和厚度等参数需要合理把握，以满足不同气流条件下的最佳发电效率。
2.3 材料选择叶片的材料应具备足够的强度、刚度和轻量化等特性。
常见的材料包括玻璃纤维增强复合材料、碳纤维等。
根据叶片的工作环境和成本考虑，选取最合适的材料。
3. 叶片设计与优化方法3.1 气动优化在叶片设计过程中，通过气动的优化使得叶片在不同风速下能够产生更大的扭矩。
气动优化可以利用计算流体力学（CFD）模拟进行，通过调整叶片形状和翼型等参数，探索最佳气动设计。
3.2 结构优化叶片在运行过程中承受着风力和离心力等巨大压力。
为了保证叶片的强度和刚度，可以利用有限元分析方法对叶片的结构进行优化，确保其能够承受更大的载荷。
3.3 声音优化风力发电机组在工作时会产生一定的噪音，为了降低环境噪音污染，叶片设计中需要考虑减小噪音的方法。
可以通过改变叶片的形状、增加吸音材料等方式来达到声音的降噪效果。
4. 叶片优化示例4.1 Aerodyn公司的叶片优化Aerodyn公司通过使用CFD模拟和结构优化方法，设计出了一款低噪音、高效率的风力发电机组叶片。
优化后的叶片在各个风速下都能够提供更高的发电能力，同时降低了噪音水平。
4.2 叶片材料优化研究人员针对叶片材料进行了优化研究，提出了一种新型复合材料。
该材料在保持足够强度的同时，具备更好的轻量化性能，能够最大程度地提高叶片的转速和发电效率。
风力机的翼型与叶片外形设计简介
风力机的翼型与叶片外形设计简介摘要关键词：风力机，翼型，叶片Introduction to aerofoil and blade shape design for wind turbineAbstractKeywords:引言叶片是风力机重要的能量转换部件，其设计和制造直接影响风力机发电机组的高效安全运行。
风力机的运行效率直接与叶片的空气动力设计有关，包括叶片长度、翼型、沿纵向翼型的分布和安装角。
1、翼型与叶片外形设计的重要性2、叶片外形设计的大概过程，强调叶片外形设计时翼型的前提作用3、给出论文的框架1.1 风力机翼型设计1.1.1风力机翼型设计发展过程及特点讲清与飞机翼型的区别翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能，翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。
在风力机叶片翼型参数的设计过程中，各个参数的变化都会对其他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。
在20世纪七八十年代的风力机设计过程中，很多风力机直接采用了NACA系列中的航空翼型。
但风力机的工作条件和飞机有较大的区别，一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大；另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响，风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将就也不完全一样，过去在小型风力机设计中考虑雷诺数较少而是直接选用，以翼弦为特征长度的雷诺数在风轮径向方向是变化的，在大型叶片设计中必须给以考虑。
设计实践表明，使用航空翼型虽然可以得到很高的升阻比，但是在低雷诺数环境下，航空翼型易于发生泡式分离，从而使升阻比特性恶化。
另外，航空翼型对表面粗糙度比较敏感，在翼型几何形状由于灰尘、结冰等原因发生变化时，翼型的气动特性往往也会迅速恶化，从而不适于直接作为风力机叶片翼型使用。
因此，选择翼型常根据以下原则：对低速风轮，由于叶片数较多，不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮，叶片数较少，应选择在很宽的风速范围内具有较高的升阻比和平稳失速特性的翼型，对粗糙度不敏感，以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低。
风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究
风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究随着对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，被广泛应用于发电领域。
作为风力发电机组的关键组成部分，研究翼型与叶片形状的优化对提高发电效率和性能至关重要。
本文将探讨风力发电机组翼型与叶片形状的优化研究，旨在提高风能的利用效率和发电能力。
翼型优化是风力发电机组设计中的核心问题之一。
优化的翼型设计可以显著影响风力发电机组的性能和效率。
翼型的选择应考虑到风速、风向以及机组的运行环境。
通常，翼型需要具备较高的升力系数和较低的阻力系数，以最大程度地提高发电效率。
此外，稳定性和可控性也是翼型设计的重要考虑因素。
目前，常用的风力发电机组翼型主要有对称翼型、适度弯曲的偏置翼型和适度弯曲的反曲翼型。
对称翼型具有较高的升力系数和较低的阻力系数，适合用于低风速区域。
偏置翼型通过改变上下翼面的厚度分布，可以有效降低气动阻力，提高发电效率和性能。
反曲翼型则通过翼型前缘向后延伸并形成弯曲，可以增加升力系数，提高机组的稳定性和可控性。
叶片形状的优化也对风力发电机组的性能和效率产生重要影响。
叶片是将风能转化为机械能的关键部件。
合理设计的叶片形状可以提高发电机组的转矩和输出功率。
一般而言，叶片的长度、弯曲程度以及截面形状都需要优化。
叶片长度的选择应考虑到风速分布和机组的设计要求。
适度的弯曲程度可以减小叶片的气动阻力，提高运行效率。
此外，采用合适的截面形状可以提高叶片的刚度和强度，减小振动和噪音。
在风力发电机组的翼型与叶片形状优化研究中，数值模拟和实验测试是常用的方法之一。
数值模拟可以通过计算流体力学分析风力发电机组中的气动特性。
通过在计算机上建立风力发电机组的数值模型，可以模拟和优化翼型和叶片的设计。
此外，实验测试可以通过风洞试验等手段对设计方案进行验证和验证。
这些实验可以测量翼型和叶片在风速变化下的表现，从而提供有关其性能和效率的重要信息。
此外，优化研究还可以利用进化算法、遗传算法和粒子群优化等优化算法，以最大程度地提高发电机组的性能。
一种理想风机叶片翼型的设计方法
学 出 版 社 ，２００９． ［２］ 芮晓明，柳亦兵．风力发 电 机 组 设 计［Ｍ］．北 京：机 械 工 业
出 版 社 ，２０１０． ［３］ 李德顺，李仁 年，杨 从 新．雷 诺 数 对 风 力 机 专 用 翼 型 气 动
性 能 影 响 的 研 究 ［Ｊ］．流 体 机 械 ，２００９，３７（２）：２１－３４． ［４］ 张礼达，任腊春．风力机叶片外 形 设 计 及 三 维 实 体 建 模 研
图 ３ 翼 型 速 度 三 角 形 关 系 图 表 １ 叶 尖 速 比 与 叶 片 数 的 匹 配 关 系
叶尖速比
叶片数
叶尖速比
叶片数
１
８～２４
４
３～５
２
６～１２
５～８
２～４
Байду номын сангаас３
３～８
８～１５
１～２
２．３ 翼 型 外 形 参 数 的 确 定 叶片翼型的外形 直 接 影 响 气 动 性 能，翼 型 外 形 参
· ９３ ·
图３ 为 翼 型 速 度 三 角 形 关 系 图。 其 中，ｃ 为 来 流 风速，它是叶素旋转 产 生 的 旋 转 气 流 运 动 与 风 速 合 成 的实际 速 度，ｕ、ｖ２ 分 别 为ｃ 在 切 向 和 轴 向 的 分 量，αＡ 为入流角，ｄＦＬ 为升力，ｄＦＤ 为阻力。有如下关系：
风力发电机的叶片设计与优化
风力发电机的叶片设计与优化在当今追求清洁能源的时代，风力发电作为一种可再生、环保的能源获取方式，正发挥着日益重要的作用。
而风力发电机的叶片，作为捕捉风能并将其转化为电能的关键部件，其设计与优化直接关系到风力发电的效率和成本。
风力发电机的叶片形状和结构并非随意而定，而是经过精心设计和不断优化的结果。
叶片的设计需要考虑众多因素，首先就是空气动力学原理。
叶片的外形要能够有效地切割空气，减少阻力，最大程度地捕获风能。
这就要求叶片的形状具有良好的流线型，类似于飞机机翼的形状，但又有所不同。
因为风力发电机的工作环境更加复杂多变，风速和风向都不稳定。
叶片的长度也是一个关键因素。
一般来说，叶片越长，能够扫过的面积就越大，捕获的风能也就越多。
但过长的叶片会增加重量和成本，同时对材料的强度和制造工艺提出更高的要求。
此外，叶片的重量分布也需要精心设计，以确保在旋转过程中的平衡和稳定性。
在材料选择方面，现代风力发电机叶片通常采用复合材料，如玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。
这些材料具有高强度、轻质的特点，能够承受巨大的风力和离心力。
同时，材料的耐候性也至关重要，要能够经受住长期的风吹日晒、雨淋和温度变化等自然环境的考验。
除了上述的基本设计要素，叶片的优化也是提高风力发电效率的重要手段。
优化可以从多个方面入手。
例如，通过优化叶片的表面粗糙度，可以减少空气阻力，提高风能的利用效率。
叶片的翼型优化也是常见的方法之一，通过不断调整翼型的参数，找到最佳的升阻比，从而提高风能的捕获能力。
在实际的设计和优化过程中，数值模拟技术发挥着重要作用。
工程师们可以利用计算机软件对不同的叶片设计方案进行模拟分析，预测其在不同风速和风向条件下的性能表现。
通过对比不同方案的结果，选择最优的设计方案。
但数值模拟也有其局限性，实际的风场环境非常复杂，模拟结果与实际情况可能存在一定的偏差。
因此，实验测试也是必不可少的环节。
实验测试可以在风洞中进行，也可以在实际的风电场中进行。
风力发电机组叶片设计及优化
风力发电机组叶片设计及优化1. 引言随着能源需求的不断增长和环境可持续发展的重要性日益凸显，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式备受关注。
风力发电机组的叶片是其中最关键的组成部分之一，其设计和优化对于风能转化效率的提高和成本的降低具有重要意义。
2. 叶片设计关键因素2.1 材料选择叶片材料的选择直接影响着叶片的性能和成本。
常见的叶片材料包括玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）等。
在选择材料时需要综合考虑材料的强度、刚度、耐久性以及成本等因素。
2.2 叶片几何形状叶片的几何形状对于风能转化效率和结构强度起着重要作用。
常见的叶片形状包括直线型、弯曲型和扭曲型等。
直线型叶片简单易制造，但其风能利用率较低；弯曲型和扭曲型叶片能更好地利用风能，但设计和制造难度较大。
2.3 叶片尺寸叶片尺寸是叶片设计的关键参数之一。
叶片长度的增加可以提高风能转化效率，但同时也会增加叶片的重量和制造难度。
因此，需要在风能转化效率和制造成本之间进行权衡，并选择合适的叶片尺寸。
2.4 叶片分布风力发电机组通常由多个叶片组成，叶片的分布方式直接影响着风能利用率和机组运行的安全性。
常见的叶片分布方式有均匀分布、螺旋分布和交错分布等。
根据具体的场地条件和工程要求选择适合的叶片分布方式，以实现最佳的风能转化效率和机组运行稳定性。
3. 叶片设计流程3.1 需求分析在进行叶片设计之前，需要对工程需求进行全面分析，并明确设计目标。
包括风速范围、功率输出、机组尺寸等方面的要求。
3.2 叶片初始设计根据需求分析的结果，进行叶片的初始设计。
在设计中需要考虑叶片形状、尺寸和材料等因素，并使用适当的工具和软件进行建模和计算。
3.3 叶片力学分析对叶片的力学性能进行分析，包括受力分析、变形分析和疲劳寿命评估等。
这可以通过有限元分析等工具进行计算和模拟。
3.4 叶片优化设计根据叶片力学分析的结果，对叶片进行优化设计。
优化的目标包括提高风能利用率、减小叶片重量、增强叶片结构强度等方面。
风力机叶片及翼型变形分析
风力机叶片及翼型变形分析随着全球环保意识日益增强，风能逐渐成为了一种受到广泛关注和应用的可再生能源。
风力发电厂也随之崛起，而风力机叶片是风力机中最为重要的部分之一，对其性能的影响至关重要。
因此，对风力机叶片的变形进行分析，可以更好地优化风力机的结构，并提高其效率和稳定性。
风力机的叶片结构风力机叶片通常采用第三代叶型设计，即基于翼型理论的设计，采用气动外形优化方法。
这种方法的特点是将叶片表面设计为具有最佳气动性能的几何形状，以达到最佳流体动力性能。
并且，在其上采用二次或三次螺旋线上每个点的翼型截面，来构建一个光滑的外形。
经过数值分析，在确定翼型后，将其分别应用于叶片的不同纵向位置，使得整个叶片都能够获得最佳气动性能。
然而，在实际应用中，由于风力机叶片受到风载、旋转运动等多种复杂外力的影响，其结构会发生形变。
因此，精确地分析风力机叶片的变形非常重要。
风力机叶片的变形分析方法为了更好地分析风力机叶片的变形，可以采用有限元分析方法。
其主要过程是将叶片分割成许多小单元，然后在每个单元内计算叶片中的应力和应变。
在经过大量数据分析后，可以得到每个单元的变形情况，从而推断出整个叶片的变形情况。
由于风力机叶片通常采用化合物材料和纤维增强材料，其力学性能非常复杂。
因此，在进行有限元分析时，需要考虑到叶片中各种材料的弹性模量、泊松比、应力应变等特性，并通过数值模拟等手段进行外载荷计算和叶盘内流场等环境因素的影响情况。
针对这些因素，在进行叶片变形分析时，需要采用非线性有限元分析方法，使得叶片的变形分析更为精确。
一般来说，非线性有限元分析方法适用于非线性问题，并通常涉及大量非线性因素，例如材料的非线性、几何非线性等。
在使用非线性有限元分析方法时，可以通过模拟叶片和环境中各种因素的交互作用，得到更为准确和可靠的分析结果。
风力机叶片变形分析的翼型优化通过分析风力机叶片的变形，可以找到一些优化的方案，从而提高风力机的性能。
例如，针对由叶片变形引起的损失，可以在设计过程中增加一些加强措施来避免叶片的弯曲和扭曲。
一种理想风机叶片翼型的设计方法
２１ ０ ２年 第 ４期
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种理想风机 叶片翼型 的设计方法
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摘 要 ：对 理 想 风 机 的 气 动 参 数 进 行 了设 计 。 通 过 绘 制 升 阻 比 凸 线 和 升 力 系数 曲线 ，对 该 翼型 的 弦长 、攻 角 和
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大型风电机组叶片翼型的设计方法
2008年2月农业机械学报第39卷第2期大型风电机组叶片翼型的设计方法*芮晓明 马志勇 康传明摘要 为解决大型风电叶片气动性能和结构强度的矛盾,基于对翼型选择和改型设计方法的分析,提出翼型结构系数 ,以系数 为界,将叶片分为内圈和外圈两区域。
对于内圈区域的翼型以结构特性为主,通过改型设计提高叶片的强度,而此区域对气动性能的影响较小;靠近叶尖端的叶片外圈区域应以最大限度发挥翼型的空气动力特性作为主要设计目标。
针对普通航空翼型在大型风电叶片内圈应用的局限,采用加厚翼型后缘的方法,较好地克服了低雷诺数下气流提前分离的问题,同时能显著地加强叶片的结构强度,降低单位体积质量,解决以往设计过程中叶片结构与其气动性能的部分矛盾。
关键词:风力发电机 叶片 翼型 设计方法中图分类号:T K 83文献标识码:A收稿日期:2006-12-22*北京市自然科学基金资助项目(项目编号:3063023)芮晓明 华北电力大学能源与动力工程学院 教授,102206 北京市马志勇 华北电力大学能源与动力工程学院 讲师 博士生康传明 华北电力大学能源与动力工程学院 硕士生引言风力发电是获得清洁、可再生能源的主要技术形式之一。
近年来,国内外的风电产业发展很快,对相关的设计技术提出了更高的要求。
由于风电叶片是实现风能转换的重要环节,对机组的整体性能影响很大,有关的设计方法始终是研究的热点。
翼型作为叶片外形设计的基础,对叶片的空气动力特性和质量有重要的影响。
目前风电叶片设计一般以低速飞机的航空翼型为基础,并进行必要的改型。
但由此带来的叶片结构与其气动性能矛盾突出,已成为大型风电叶片设计过程中亟待解决的关键问题之一。
为设计出更长的叶片,需要研究解决上述问题的方法,以有效提高叶片设计质量、降低叶片成本,为开发更大功率的风力发电机组提供技术支持。
1 风电叶片应用航空翼型的局限性低速航空翼型一般具有较好的气动性能,因而在风电叶片设计中得到了广泛的应用。
大型风电叶片结构设计方法
数据收集
01
收集各种材料在不同条件下的性能数据，包括实验数
据和现场测试数据。
数据处理
02 对收集到的数据进行处理和分析，提取关键性能指标
，如强度、刚度、耐腐蚀性等。
数据存储与共享
03
将处理后的数据存储在数据库中，方便设计人员查询
、共享和使用。
04
叶片结构设计方法
基于仿生的结构设计
模仿自然生物的形态和结构
风电叶片是风力发电系统的关键组成部分
风电叶片是风力发电系统的核心组成部分，其性能直接影响到整个风力发电系统 的效率和可靠性。因此，大型风电叶片的结构设计对于风力发电技术的发展至关 重要。
研究现状和发展趋势
国内外研究现状
目前，国内外对于大型风电叶片的结构设计 已经开展了大量的研究工作，并取得了一定 的成果。然而，由于风电叶片尺寸大、结构 复杂，其设计过程中仍然存在许多挑战。
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基于优化的结构设计
基于性能目标的优化设计
通过建立风电叶片的性能模型，利用优化算法对模型进行求解，得到最优的设计方案。例如，通过优化设计，使风电 叶片在保证强度的同时，尽可能减轻重量。
多学科优化设计
综合考虑多个学科领域的影响，如气动、结构、材料等，进行多学科优化设计。例如，通过优化设计，使风电叶片在 保证结构强度的同时，具有良好的气动性能和材料利用率。
02
有限差分分析法
该方法使用差分方程对连续体进行离 散化，适用于分析大型风电叶片的动 态性能和稳定性。
03
边界元分析法
该方法采用边界积分方程求解问题， 适用于分析具有复杂边界条件的风电 叶片结构。
实验验证方法
风洞实验
在风洞实验室中模拟实际风场环 境，对风电叶片的气动性能进行 测试和验证，包括风阻、扭矩和
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８年２月
农业机械学报
第３９卷第２期
大型风电机组叶片翼型的设计方法＊
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（１）
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引言
风力发电是获｛薅清洁、鼍褥黧能源的主要技术 形式之一。近年来，跨内外的风电产监发展禳快，对 相关的设计技术提出了更高的要求。由于风电叶片 楚实瑗风麓转换静鬟要环节，对槐组的整体往麓影 响很大，有关的设计方法始终怒研究的热点。 翼型作为叶片外形设计的基础，对叶片的空气 动力特性和获量有重要的影响。酲前风电叶片设计 一般以低速飞机懿簸空翼型为基础，并进行必要憨 改型。但Ｅｌｊ此带来的叶片结构与其气动性能矛盾突 出，已成为大型风毫叶片设计过程中亟待解决豹关 键阐题之一。势设计蹬更长的时片，震要研究解决 上述问题的方法，以有效提高叶片设计质量、降低叶 片成本，秀嚣发更大功率憝风力发电枫缎提供技术 支掩。
的漫著损失和叶片失速，等致叶片载荷增大。 （２）为满足叶片与轮毂连接的区域结构和强度 的要求，必须糯大这帮分裁越翼型的厚度，但相应的 翼垄弦长也会姗大，可能越出风电吁片允许的藏围。 （３）对于变桨矩控制的风电机组，叶片与轮毂联 结结构要求叶片根部呈圆箍状外形，使气动性能每 结构设计的矛盾更细突出。 为解决这些问题，迄今风电叶片多采取对航空 翼墅截头去慰的改塑设计方法Ｉｔ】。此方法最能满 足汁姥结构设计蛉霭要，但对其气动性施的影蟪罄 比较大。简单地削除原有翼型的前缘和后缘，可熊 会破坏叶片上、下表面懿完整性，逡成翼型表夏都分 升力丢失，导致翼型气动性麓鼹著降低。
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片魏裁腻面积秘惯性麓，双磷使蕊抗弯耨抗扭缝能 得到提离。 （２）空气动力特性 链黯缘翼型霹纵蠓搬其截嚣的鼹大升力系数秘 身力麴线斜率，因箍对降低翼型鲍海染敏感度翁裂。 考虑到吸力嚣的气瀛速度将随翼慰厚度增加， 舞聪期斑的艇力减小；两程翼型霜缘区域懿气瀛会 减速，裁余懿动貔蕾不足以抵抗豢烈静逆垂裰度，将 导致气漉在翼掇后缘可能提前分离，擐失部分升 力￡２ｊ。链露缘黧型采酸默其翦缘势铰点增加愿缘 簿度瓣方法，霹以在增擞冀型最大辱度施露时，穗癯 她辫低气流通避截蘧最厚点屠的逆匿撵度，从嚣能 推迟藏避惫气流鲢分离，势在着缘懿藤螓影成一个 与迭界瑟交适应懿尖焉缘，使气流一轰鬻赘在爨登 表蘑，改善蔟气动性篾。 圈２鸯ＴＲ一３５～１０鍪风瑰盼片翼型毒ＴＲ一 ３５燮靛空翼鋈袭露鲍篷力分布。壤论上，带裔辩着 藏的尖后缘ＴＲ一３５翼穗爝缘斡匿力系数Ｃ，≈ ０。圭．然蘧毒予气流速度懑翼型浮度懿增熬秘吸力嚣 童蘸力的减，ｊ、，在。／ｅ＝０．重处，压力系数达裂一叛 鬣煎ｅ参＝一２。７；在ｘ／ｃ＝０。１点之恶，惠予动麓逛 气流速度下降穰莰，难泼抵抗强大熬遵压锑度，最终 簿致气流在翼黧蹭缘撼前分离。ＴＲ一３５一ｌ镑的翼 戮设计裙曼减弱了吸力豫帮燕力霭懿压力震荡，洚 骶暖力面逆疆捞度强澄，扶褥接送了翼型爱缘气滚 的分离点。
１风电叶片应惹航空翼型的局限悭
低速靛室翼夔一般其考较好觞气韵褴麓，嚣商 在风电叶片设计申葶器到了广泛鳇应用。毽壶子这些 翼裂麓嚣诺数穗对较高噩厚弦毙较夺，往经难潋在 大燮风瞻叶片的板部区域直接应厢，需要考虑并解 决以下阏题： （１）大整风电时冀的雷诺数普遍较低，特别是程 叶片与轮毂连接的区域，若赢按采用适用于高雷诺 数的航空冀塑受｜ｊ禳容易发生气流分离，造成气动力
豢考变献 １镘翼粳。空气动力学［Ｍ】。趣寒：北东航空航天大学磷版睾±，２００４． ２张德造，章光华，陈允文。真实流体力学￡Ｍ】．效豪：溥华大攀出敝社，１９８６。 ３贺德馨．风正程与空气油力学【Ｍ】．北京：国防正业出版社，２００６．
万 方数据
２钝詹缘翼型的分析
２．１锐慧缘翼塑 钝震缘翼型是钟对大蘧熙电峙片狠部区域低鬣 诺数、离结擒强发的要求，对骶速航空翼塑的一种改 型设计。其基本方法是以原鬓型的前缘为铰点，按 一定裰对弦长厚度比分开露缘。 ２．２钝磁缘翼燮的结构和气动特性 图１所示ＴＲ一３５—１０型风电叶片翼型，是一 种黻ＴＲ一３５黧尖詹缘航空冀壅势基磁，通过钝詹 缘方法增加１０％厚度酌改进翼型。 （１）钝后缘翼型的基本结构特性 对予给定厚度的翼型，镶后缘翼塑可以增魏时
由于许片内髑区域的气流的入流角比较大，此 时弯矩系数ｃＱ燕瑟是舞力系数的函数，褥与阻力 系数０Ｄ懿关系不丈。困ｖｌ避：，对于冲片的恣甏巍域 丽言，器管戳结构设计为主的翼黧设计可能会使ＣＤ
增加，避蕊导致转矩系数岛有膊减小，但其影≈囊程 度明恳，ｊ、予瓯增熬对岛盼蠢耧影璃。盘此可骥
推论：在叶片的内圈区域采用结构为主的翼型设计 方法，虽然会弓ｌ起阻力翦变化，’僵其对风电骛｝片总体 性能鳇影噙是橱对次要的因素。 图４为ＴＲ一３５与ＴＲ一３５—１０翼型相应的转 矮系数羞值的变化，表鳃了以上分析麴合理性，懑孛。
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通过以上讨论呵知，扶室气凌力学角度着， ＴＲ一３５一圭ｅ鬻暴懿钝矮缘鬟整设计方法不纹麓够 提离翼燮豹最大升力系数，褥时也可璐降低鼹时面 污染的敏感往。因此，以钝后缘翼楚作为对低速靛 交翼囊改逡设计懿蘩樯，是改善风电时片结构与气 淤特性鹃～种可行方法。万 方数据 Nhomakorabea业机械学报
２ ０ ０
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型风嘏叶片设计的基本参数之一。疆此，结搀系数 带不成是一个定擅，还需錾深入研究其海在规律以 及对设计要求的影响，逐渐形成襁美设计标准或盱 片优他设计的蒸本约束条｛譬。 ３．２叶冀内外瓣冀型的选择 由予大鍪风电旰片长数十米，骥量以吨计，内圈 隧域掰承受的弯馥栩疲劳载薇很大，因此设法热强 该区域的强度是时泞结构设计的关键环节之一。研 究裘瞬，在内溪区域采用钝后缘翼型增烟叶片截嚣 薅度对改善盼片结构强度极其露剥，同时瞧是藏小 旰片革位体积潢量，避免叶片成本随长度成幂律增 长的主要途径。一般意义上，可以考虑沿叶片展辩 扶时尖开始从薄巍厚戆翼狴分布设计，瀵避叶片气 劫和结构性能的要求。 虽然钝詹缘翼塑会增缎截面阻力，但是惠予分 离点翡推迟，降低了爨气流分离丽警｝起的隧力燕差， 而这部分阻力在总阻力中所占的比重是随攻角而增 大懿。骚以在具有较大段角的叶片爽墨嚣域，采鼷 钝露缘翼黧，无论从结擒力学还是空气动力学角度 肴都是合理的。 健对予砖片羚嚣送壤褥富，主要设计簧求是最 大隈度她发挥其气动性能，一般应使其攻禹处于最 佳值。在此条件下，型阻将占较大比例，但叶片樵应 秘绥橼载蒋帮跑较小，敬在外藩嚣域不波采鹰键后 缘热蓐翼型。 实际上，Ｅｌｌ于外圈区域相对力臂长，选撵离升阻 蹴靛翼型对撬离升轮攘体躬气动性麓÷分有利。霞 此，在叶片鲍外激区域设计中，寅更多地关注舞氍比 较高的翼獭（如ＮＲＥＬ的ｓ８３１、Ｓ８３０等），考虑选择 戴类尖后缘盛较薄赘翼鍪。 以某变浆矩控制风魄祝缎鳓时片设计魏铡，滠 设计在０．７５Ｒ和０．９５Ｒ处翼型分另４选用ｓ８１７和 ｓ８１６翼型，但这２种翼黧爨针对失速控制风毫巍缎 设计的，最大升力系数较低，气动径戆一般。膳采用 翼弦较短、升阻比更高的Ｓ８３０和ｓ８３ｌ翼烈，Ｓ８３ｌ 缎与０．９０Ｒ处，英最大裰对厚度ｚ／ｃ＝０。１８，设计 升力系数为１。５；￥８３０律为外鬣最主要的０。７５Ｒ处 翼型，ｚ／ｃ＝０．２１，设计升力系数为１。６，这种设计布 褥较大地提嵩了该畸片麓气动性畿。 ３。３叶片肉潮冀型岛整体气动性麓懿关系 从风电机组的总体设计观点蓍，风电叶片气动 设计酶主要露标是产生尽可麓大懿转矩，越滑野轮 轴向的推力较小。然丽，在叶片的气动设计过程中，
一般却较多地关注哭力瓤强力鹃作用。 实际土，对予给定的风轮半径，胃戳将升力系数
ＣＬ和隧力系数岛转纯势裙澎的转缀系数ＣＱ稚辘
肉接力系数Ｃｆ川，嚣
Ｃａ；ＣＬｓｉｎ费一Ｃｏｃｏｓ辔 Ｃｒ ２ ＣＬｃｏｓ磐一ＣＤｓｉｎ爹
（３） （４》
其中
◇：辞＋筘
式中球——攻角 廖——襁对予旋转乎蕊的擅惫 毋——位予该攀径处的叶片入漉熊
牧稿礴期：２００６—１２—２２ ＊ｊＥ褒拳囊然辩学蒸金爨鹫矮垂（璞爨编号：３０６３０２３） 嚣晓明 羁志勇
牮戏电力大学能源与魂力工程攀陵教授，１０２２０６魏裘褒 牮北电力大学簏源与动力麓程攀院讲螂博士璧
康传明华北电力大学能源与动力工程学院硕士生
万 方数据
第２期
蕙晓瞒等：大黧矾毫槐组旰片翼黧鼬设计方浚
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鉴予太登风电叶片长达数十米，翼蘩厚凄的增
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鸯嚣势必念瓣叶片瑷餮、载萄分帮稷糍造成本产生较 大影响。戮此，筒攀媲采取辫时片长囊均鸯增大翼 獭簿度盼改型设计方法驻然不尽合瑾，需舞进一步 研究沿盼背簇向鬓登豹分布翔题。 ３。ｌ斗片设计的结糊系数 根据实际运行经验，国外学者曾针对荣种风电 婶片，浚对应５５％风轮举径瓣畸片长度（ｅ。５５ ｒ／Ｒ》 斑参考德，翔分叶片鹣国外酝城；辩谴予辞穰鬻避翡 内区域以结构特性为塞，而猩靠近叶尖的外区域以 气动特饿为主鳃翼鍪设计方案避行了试验研究。结 果表明，这静方案能番效逮增强许片的结扮强度，鬻 时也可以较好地满足叶片的整体气动性麓的要求。 应籀懑：出予上述鲻分时菏内外嚣域魏方案是 针对特定时片的蕊麓试验撬出，其定义尚不够躜确。 有憋于风电机组的结构形式和基本参数（如功率、风 轮率径、叶片长度等）羞剃很大，弼对考虑到时片一＋ 般是终势缀电橇组静独立部件，蓊要对戴阍题俸进 ～步研究，以形成一种可行的设计方法供叶片设计 过程采用。 通过对大型风嘏时片设诗要求秘方法酶分拼， 针对叶片翼型改逃设计中气动性能与结构强度的矛 蘑，毒必要设立一许盼络构袭数鬈。 翅瞬３魇示，设缀予风耱巢处瓣半径尹鸯