第4章_风轮叶片设计

  1第 第4 章 风轮叶片设计风轮叶片( 简称叶片) 是风电机组的核心部件之一，其设计质量对风电机组整体及其零部件的性能和寿命有直接影响。随着风电机组容量和叶片尺寸的不断增大，叶片外形和结构也更为复杂，且由于叶片精度、强度和刚度要求高等特点，使叶片设计技术显得更重要。u 设计概述风轮叶片设计理论与方法是涉及多学科交叉的问题，需要有 空气动力 学、机 械 设计理论、结构 静力 学与 动力 学、 材料 学等多方 面 的 知识 。风轮叶片的 主 要设计 目标包括：Ø 良好 的 空气动力 外形，能 够充分的利用 风电 场 的风 资源条 件， 获 得 尽可能多的风能 ；Ø 可靠...

  1第 第4 章 风轮叶片设计风轮叶片( 简称叶片) 是风电机组的核心部件之一，其设计质量对风电机组整体及其零部件的性能和寿命有直接影响。随着风电机组容量和叶片尺寸的不断增大，叶片外形和结构也更为复杂，且由于叶片精度、强度和刚度要求高等特点，使叶片设计技术显得更重要。u 设计概述风轮叶片设计理论与方法是涉及多学科交叉的问题，需要有 空气动力 学、机 械 设计理论、结构 静力 学与 动力 学、 材料 学等多方 面 的 知识 。风轮叶片的 主 要设计 目标包括： 良好 的 空气动力 外形，能 够充分的利用 风电 场 的风 资源条 件， 获 得 尽可能多的风能 ； 可靠 的结构强度， 具备足够 的 承受极限载荷 和 疲劳载荷 能 力； 合 理的叶片刚度、叶 尖变 形 位移 ， 避免 叶片与 塔架碰撞； 良好 的结构 动力 学特性和 气动稳定 性， 避免发生共振 和 颤振现象 ， 振动 和 噪声小； 耐腐蚀 、 防雷击 性能 好 ，方 便维护； 在满足上 述 目标 的 前提下 ， 优化 设计结构， 尽可 能 减轻 叶片重量、 降造成本 。n 基本 设计 过程 与 内 容如图4-1 所示 ，叶片的设计 过程 需要 根据总 体设计方 案 ， 并 结 合具体的技术方面的要求， 通 过 系统 的 气动 设计和结构设计， 实 现 设计 目标 。图 图4-1 叶片设计 叶片设计所 所涉及的 涉及的内 内容 容n 基本 设计 过程 与 内 容一 般而 论，叶片设计 可分 为 空气动力 学设计(以 以 下 简称 气动 设计)阶段 和结构设计 阶段 。在气动 设计 阶段 需要 通 过 选择 叶片 几何最佳 外形， 实 现 年 发 电量最 大的 目标；结构设计 阶段 需要 分 析选择 叶片 材料 、结构形 式 和其 他 设计 参数， 实 现 叶片强度、刚度、 稳定 性 以 及 动 特性等 目标 ，叶片 基本 设计 流程 如图4-2 所示 。一 般情况 下 ，设计需要 首先从 叶片的 气动 外形设计 展开 ， 然后再根据 气动 设计的基本要求 进行 结构设计。但实际 上 ， 这种 设计 流 程 并 不是 绝 对的， 亦即 叶片结构设计不能也不 可 能 完全处 于 从属地 位 。 从 叶片 总 体设计 开始 ， 往往就 需要 从 结构设计 角 度对 气动 方 案 提 出修改意见 ， 甚至 不得不 改 变 某些截 面 的 气动 外形， 以 获 得叶片 气动 与结构性能的 合 理 匹配 。 因此 ， 优良 的叶片设计是 在 各种 性能 关系 合 理 平衡 的 过程 中 形 成 的结 果 。n 基本 设计 过程 与 内 容为 了讨 论问题方 便 起见 ， 课 程 仍将 分 别介绍 叶片 气动 与结构设计的 基本内 容。图 图4-2 叶片 叶片基本 基本设计 设计流 流程 程l 叶片 气动 设计的 基本内 容风轮叶片 开 发 的 首 要 任务 是 进行 气动 设计，设计 内 容 主 要 包括气动 外形的设计和 气动 性能 分 析 计 算 等。叶片的 气动 设计 过程 ， 首先 要 根据 风电机组的 总 体性能要求 确 定叶片的 初始参数 ， 包括 风轮直径 径D( 叶片 长度 度L) 、叶片 数B 、风轮 转 速 、叶 尖 速比 、 翼型 数据以 及外部 条件 件(如 如 额 定 风 速 和风 速范围等 等)。气动 设计的 主 要 任务 是 确 定 叶片的 气动 外形， 应 用空气动力 学 基础 理论 并 结 合 叶片的结构和 工艺 要求，形 成 沿 叶片 展 向 的 截 面 形 状 。气动 设计的 基本 思想 是 主 要 考虑 叶片的 各 剖 面 叶 素输 出 功率 最 大的外形设计 原则 。气动 外形设计 过程 应 用 的理论 基 础 ，不 仅 涉及第2章 章 介绍 的 基本空气动力 学 原 理， 如 贝茨 理论和叶素 素-动 动 量等理论， 在本 章 还 将 结 合具 体问题， 讨 论其 他 的一 些 相 关 设计理论和方法，如 如Glauert 方法、Wilson 方法和Schmitz 理论等。对于 基本 确 定 的叶片 气动 外形， 还 需要 进行 详细 的 气动 性能 分 析计 算 。l 叶片结构设计的 基本内 容叶片的结构设计需要 依 据 有 关 设计 标 准 ， 应 使其 具 有 足够 的强度和刚度， 保证 叶片 在 寿命 期 内 规 定 的使 用 环境 下 不 发生 破坏 。如图4-3 所示 ，叶片结构设计的 主 要 内 容涉及计 算 叶片 载荷 、叶片材料 的 选择 、 总 体结构形 式 、叶 根 设计、叶片 铺层 设计等， 同时 应该要依据 载荷条 件，对叶片结构 进行 强度、刚度和 稳定 性等方 面 的 详细 设计和 校 核。图 图4-3 叶片结构设计 叶片结构设计流 流程 程