风力发电机叶片结构设计及其有限元分析(精品doc)

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析

摘要

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，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的

的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型，

然后利用有限元模拟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。

关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化

THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTS

ABSTRACT

In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.

KEY WORDS: wind turbine, blade, FE simulation, optimization

第一章绪论

1.1 能源问题及可再生能源的现状与发展

受世界经济的发展和人口增长的影响，世界一次性能源消费量持续增加，1990年世界国生产总值为26.5 万亿美元(按1995 年不变价格计算)，2000 年达到34.3万亿美元，年均增长2.7%。根据《2004 年BP 能源统计》，1973 年世界一次能源消费量仅为57.3 亿吨油当量，2003 年已达到97.4 亿吨油当量。过去30 年来，世界能源消费量年均增长率为1.8%左右。如此大增长幅度的消费量使世界能源的利用面临巨大的压力和挑战[1]。

世界上能源的主要形式是以煤、石油为主的化石能源、核能以及可再生的水利能源、太阳能。但是，人类所能够利用的化石资源是有限的，人们对能源的需求也在不断增长，近年来平均以5%的速度递增，造成能源供需矛盾的加剧。如果不尽早调整以化石能源为主体的能源结构，势必会形成对数亿年来地球积累的生物化石遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的化石能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展[2]。

中国在过去几十年经济实力有了显著的提高，但是这很大方面是牺牲了大量资源、破坏了生态环境换来的。想要使得中国经济有持续稳定的增长，居民生活质量有大幅提高，必须转变经济增长策略，控制不可再生能源的开采，大力发展新能源，实现社会的和谐发展。风能、太阳能、潮汐能都是重要的新能源，其中产业化最为成熟的首推风能。据估计全球风能储量储量约为2.74×109 MW，其中可开发利用量约为2×107 MW，比全球可开发利用的水能总量要大10 倍。风力发电在世界各国已经受到高度重视，截至2004 年底，德国、西班牙、美国、丹麦和印度的风电装机总量为38000MW，占世界风电市场份额的79%[3]。

中国陆地风能资源理论总储量约为32.26 亿kW，经济可开发利用量约为2.53亿kW，海上风能实际可开发量约为7.5 亿kW，共计10 亿kW。中国的风能资源主要分布在东南沿海及附近岛屿、“三北”地区(西北、华北、东北)和青藏高原等[4]。

中国发展风力发电较晚，但是发展速度比较快。20 世纪90 年代以来，并网风电场装机容量以平均每年30%左右的幅度递增，至2004 年底，中国风电装机容量规模达764.37MW，占中国电力总装机规模的0.17%，其发电量占总电量的0.08%。与欧美等国相比，中国的风力发电还十分滞后，必须加快发展步伐。中国制定了风电发展远景规划目标，计划到2020 年风力发电装机总量达到30000MW[5]。

1.2 风力发电机的设计与分析现状

1.2.1 国外风力发电机技术现状

20 世纪，世界各国已经研制出许多小型风力发电机可以供居民生活用电；但是在现今社会，要想实现并网发电，必须要依靠型风力机，其功率为几十、上百千瓦直到兆瓦，尤其是兆瓦级风力机更是大型电厂并网发电所急需的。早在 20 世纪70 年代，美国和欧洲就开始研究兆瓦级风力发电机组，如美国MOD-5B 风力

发电机组，风轮直径97.54m，在13.4m/s 风速下输出功率3.2MW，由于当时技术的原因，兆瓦级风力发电机未能商品化生产。到了二十世纪80 年代，欧洲又开始投入兆瓦级风力发电机组的开发，丹麦、英国等国的风力发电机组正式投入商业运营。到了二十世纪90 年代，兆瓦级风力发电机组得到了进一步的发展，荷兰、德国、丹麦、瑞典、意大利、英国都先后研制成功1～4MW 的风力发电机组[6]。

现代风力发电机组经过几十年的研究和发展，就机组技术而言正逐步呈现以下趋势：

A. 由定桨距向变桨距机型发展。变桨距风力机组在低风速区的输出功率可以高于定桨距机组，但是其机械装置和控制系统变得更复杂。

B. 机组由定速运行向变速运行发展。变速运行的优点在于可以在低风速区以最优尖速比运行而最多地获得风能。

C. 有齿轮箱式向直接驱动式发展。无齿轮箱后的机组结构简单，可靠性增加。

D. 由单一陆地型机组逐渐开始向海上机组发展。海上风电场的建立大大节省

了宝贵的陆地面积，而且风资源状况更好。

E. 由百 kW 级向 MW 级乃至多 MW 级发展。为的是提高单位土地面积的发电量。在近二十年的时间，从国外风机容量由 55kW 发展到 5MW，叶轮直径由15m 加长到 125m，可靠性从50％提高到98％等事实，可以说明风力发电机组的发展趋势是功率较大、重量较轻、造价较低、可靠性较高[7]。

1.2.2 国风力发电机技术现状

我国大型风力发电机的研制和使用是从 20 世纪90 年代开始的，起步比较晚。在“八五”和“九五”期间，我国将风能应用列入了国家重点科技攻关项目，并组织了多家科研单位进行攻关，取得了一定成绩。在较短时间实现了技术跨越。目前已经研制成功200kW 和600kW 风力发电机组，并投入批量生产。在大型风电机叶片的设计和性能计算能力方面，国已经有较成熟的方法和工具，而且技术力量比较强。能够完成叶片的气动外形和结构设计、性能计算、载荷计算和气弹稳定性计算等工作。

叶片是风电机组中的关键零件。通过国家“九五”科技攻关，国产(惠腾公司生产)的600kW 定桨距叶片已为国产整机配套制造了30 多片。同时形成了大型叶片的设计、制造工艺、试验、产品售后服务等方面的能力。在失速型风电机的控制领域，由中科院电工所、大学、金风科技股份公司等单位开发研制了具有自主知识产权的两种600kW 电控系统(IPC 和PLC)，并分别投入运行两年和一年多，经过了实际运行考验，为今后更大容量风电机电控系统研制创造了良好条件。在风电机的关键零部件中，增速箱、发电机已实现了国产化。并针对大型风电机齿轮箱普遍出现点蚀、微点蚀等现象采取了多种强化措施并收到良好效果。进入“十五”以后，国家加大了对风能利用的投入力度，将风能作为国家 863计划能源技术领域后续能源主题中的一个主攻方向，开展了MW 级风力发电技术的专题研究。预计在五年，将诞生国产的MW 级失速型风电机和变速恒频风电机组[8]。在我国风电场建设的投资中，机组设备约占 70%，实现设备国产化、降低工程造价是风电场大规模发展的需要。但样机的研制及形成产品需要很大的投入，为了跟上世界技术发展水平，用引进国外先进成熟的技术，经过消化、吸收逐步实现国产化的方案，是符合我国国情的。大型风电机的主要部件在国制造，其成本可比进口机组降低20%-30%。因此，国产化是我国大型风力机发展的必然趋势。我国大型风电机的国产化从 250-300 千瓦机组开始，发展到 600 千瓦。塔架可以在国制

造，发电机和轮毂也已在国试制出来，将上述部件安装在进口风力发电机上考核，如果质量达到原装机的标准就可以替代进口件。目前，塔架、发电机和齿轮箱等部件的制造技术已基本掌握。叶片和控制系统的制造技术亦取得进展，其他部件如齿轮箱、主轴、刹车盘和迎风机构都可以在国试制成功后取代进口件。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。风力机设计是一门综合技术，涉及到空气动力学[9]、结构动力学、气象学[10]、机电工程[11]、自动控制[12]、计算机等专业技术。我国对风力设计技术主要进行了风力机空气动力设计和计算方法，风力机结构动力计算和分析方法，风力机玻璃钢叶片设计方法，风力机变速恒频发电机技术，风力机自动控制技术，风力机调（限）速特性，风力机调向特性，风力机计算机辅助设计和软件包开发等研究工作，取得了较快的进展。尤其是金风科技公司已经形成了 600 千瓦、750 千瓦、1.2 兆瓦系列化产品，技术水平均达到国领先水平，所有机组均获得德国劳埃德认证，机组最高国产化率超过 90%，其中1.2 兆瓦机组技术水平达到国际领先水平[13]。

我国在风力发电领域已经取得了很大的进步，但是同国外风机技术[14-19]发展相比仍然非常落后。我国对于大型MW 级风机仍然处于研究阶段。随着风力发电行业的大幅度发展，很多传统大型企业已经开始介入到风力机制造领域，但技术多为从国外引进。作为拥有如此丰富风能资源的大国，必须拥有对于大型风机的设计、生产与安装维护的核心技术，才可以使得风力发电技术在我国得到最大限度的发展，解决我国的能源问题。因此，大力开展及深入对风力机的研究已经成为当务之急。

1.3 数字化技术在风力机设计中的应用

现代风力机是一个涉及多学科的复杂系统。设计像这类复杂的系统，需要有完善的分析技术来支持。从初始设计到详细设计，乃至到样机试制阶段的整个设计过程中，应该有详尽程度不同的分析。要完成这样的分析，必须要利用计算机来辅助进行。

在风力机叶片设计的实际过程中，利用计算机，把叶片截面外形各点的坐标经过旋转变换形成叶片三维线框模型数据，用三次参数样条曲线拟合叶片翼型曲线，将三维坐标经过投影变换到平面坐标上(称为世界坐标)，再将世界坐标变换到设备坐标上，最后通过绘图函数将变换后的数据用图形显示在屏幕上，从而可以立体显示叶片截面及其结构。

目前己经编制出风力机载荷计算软件包 STADS 和STADYN，前者主要用于静态计算，后者可以根据计算的加速度值进行变速设计，主要用于动态载荷计算。1984年Powles 和Anderson 开发出了风力机载荷分析软件，它将随机载荷作为一个主要的考虑因素。Ma1colm 和Wright 在1994 年使用大型专用动力学软件ADAMS 来对在随机载荷情况下对风力机的响应建模，但是这种方法需要自由度较多，化费时间也很多。Wilsonetal 和Freeman 在1994 年研制了一套能够对风机的疲劳、空气动力学、结构和紊流进行计算的软件FAST,这套软件做了几点简化:软件只适用于叶轮常速运转;紊流只是在每个叶片上的一点处存在，没有考虑整个叶片的紊流。Wright和Butterfield 编制出了能够设技和分析跷跷板式叶轮风力机的软件包。Garrad Hassanand Partners Limited 公司研制出了风力机大型设计软件Bladed for Windows，这套软件可以对风力机设计中的各个部分，包括叶片翼型选择与设计计算、传动链的配置形式、控制方式的选择、载荷的计算、疲劳分析等等进行有效的计算与验证，是目前不可多得的功能较丰富的风力机设

计软件。现在还能够通过在计算机上建立风力的数字化实时仿真器，可以准确的模拟出风力机在各种不同的运行情况下各个零部件的动态性能[20]。叶片是风力发电机组中极其关键的部件，叶片的动力学特性非常复杂，更为研究者所关注。包能胜等人运用有限元方法对小型风力发电机组叶片的固有振动特性进行了分析，采用国际通用的大型有限元分析程序ALGOR-FEAS 以实际的风力发电机组模型7FD-200 为例，计算了叶片的低阶固有频率和振型，并且结合风力发电机组叶片的实际特点，以BORLANDC3.1 语言为编程工具，在AUTOCAD 12 for

WinADS(AutoCAD Development System)环境下开发了简单易用的前处理模块。自动生成叶片的有限元网格图，但是他们计算所采用的是小型风力发电机组的叶片。其叶片部结构较简单，假设叶片沿长度方向轮廓一致，没有扭曲，并假设叶片是质量完全均匀分布的。因此，该分析不适用于大型风力发电机组叶片，大型风力发电机组的叶片部结构比较复杂，在构造其有限元网格时，应注意叶片部实际的质量、材料分布，这样才能确保计算结果与实际值相吻合。

在传统风力发电机组塔架设计中，实际结构尺寸一般采用类比设计方法确定，然后再用材料力学或者弹性力学公式校核其强度和刚度。而在塔架振动特性的计算中，通常将其简化为由多个集中质点组成的多自由度体系，计算误差较大。近年来，有限元计算已经开始应用于塔架结构的计算中，其计算精度大大提高。在风力发电机组设计分析中必须考虑塔架的固有振动特性及风诱发的塔架振动，它直接影响风力发电机组的工作可靠性，由于塔架问题相对叶片、轮毂和机舱底板来说比较简单，许多人对塔架的静态特性以及安装在硬地基上的塔架的动态特性做了研究，也比较成熟的成果。

随着气弹性有限元理论的发展，人们开始在研究直升机叶片中采用有限元模型并将该研究方法引入到与直升机系统动态特性相类似的风力发电机组塔架和叶轮的耦合系统中。彦等人在研究大型水平轴风力发电机组结构动力响应时，将叶片简化为5 节点15 自由度梁单元，考虑到叶片根部挥舞、摆振和变矩三个铰的刚体运动，最终形成了5 节点18 自由度的有限元模型，并应用Hamilton 原理在非惯性系中建立了叶片的动力学方程，采用此模型使得对风力发电机组叶片的运动描述更加精确，提高了计算结果的精度[21]。

1.4 本文的研究容与意义

风力机叶片几何模型的生成：根据传统的风力机叶片设计理论进行MW 级风力机叶片设计并建立叶片的三维几何型。

风力机叶片有限元模型的生成：根据叶片的几何模型以及叶片的实际结构划分网格、定义材料参数等生成叶片的有限元模型。

风力机叶片的有限元分析：对叶片进行动力学分析，分析叶片的各阶振动频率和振型，为防止结构共振提供了依据。

在这种大趋势的推动下，很多企业都开始在风力发电领域进行投资，生产整机或者风力机组件。在国大型风力机设计与生产技术并不成熟的情况下必须从国外引进技术，利用国外资源发展本国的风力发电行业。由于风力机设计与风场当地的气候条件有很大关系，因此在引进国外风力发电技术时必须本土化，设计生产出适合我国的当地气候的风力发电机。在进行风力机本土化的过程中，风力机叶片以及塔架是重要的改进部件，必须根据当地气候情况对叶片做各种分析，然后进行改进。

另外，在今后的设计与研究中，计算机以及数字化技术肯定会发挥越来越大

的作用，将风力机的结构组件的结构设计、强度分析与优化相结合必然是一个发展方向。

第二章风力机叶片的设计

2.1 风力机结构介绍

风力发电机从结构上可分为两类。其一是垂直轴风力机，风轮轴是垂直布置的，叶片带动风轮轴驱动所要驱动的机械。其二是水平轴风力机，叶片安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。现在在世界上广泛使用的用于并网发电的风力机多为三叶片的水平轴大型风机。

1．垂直轴风力机

现代垂直轴风力机发电机很少商品化生产。主要原因是效率低，需启动设备。但垂直轴风力发电机优点很多，增速器、联轴器、制动器、发电机都可以安装在地面上，安装、维修都非常方便，不用调向，垂直轴风力发电机比较典型的是达里厄垂直轴风力发电机和S 型风轮垂直轴风力发电机，如图2-1[22]。

a) 达里厄型风力机 b) S 型风轮

图 2-1 垂直轴风力机

2．水平轴风力机

水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式。水平轴风力机的发展也是经过了由低速到高速逐渐发展的阶段。水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向垂直，如图 2-2 所示。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一个角度?(安装角)。风轮叶片数目的多少，视风力机的用途而定。用于风力发电的风力机一般叶片数取1-4(大多为 2 片或 3 片)，而用于风力提水的风力机一般取叶片数 12-24。叶片数多的风力机通常称为低速风力机，它在低速运行时，有较高的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大，起动风速低，因而适用于提水。叶片数少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但起动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样功率的条件下比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。

风力发电机叶片数目与风能利用率

风力发电机叶片数目与风能利用率 曹连芃 摘要：介绍风轮实度大小对风力机运行特性的影响，为什么现在风力发电机多为“一根杆子三根针”的结构。 关键字：风轮，风轮实度，叶尖速比，风能利用系数,一根杆子三根针，实度比,风能，风力发电机 图1是我们常见的风力发电机外观图，它有三个叶片，三个叶片与轮毂构成风轮，风轮转轴带动机舱内的发电机，由于风轮的转轴是水平的，故称为水平轴风力发电机。 图1－水平轴风力发电机 我们看到绝大多数风力发电机是三个叶片，这是为什么？ 在谈这个问题之前，先介绍一个有关风力机叶片数目的概念——风轮实度。风力机叶片（在风向投影）的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度（或称实度比、容积比），是风力机的一个参考数据。 图2是几种水平轴风力机叶轮，绘有单叶片、双叶片、三叶片、多叶片四种

风轮的示意图，风轮实度的计算方法如下： S为每个叶片对风向的投影面积，R为风轮半径，B为叶片个数， σ为实度比 σ=BS/πR2 图2－单叶片至多叶片的风轮实度 在图2中从单叶片到三叶片的风轮实度比小，是低实度风轮，12叶片的风轮实度比高，是高实度风轮。 从图中看三个细细的叶片似乎让大多数风都漏掉了，为什么不采用多叶片风轮以便接受更多风能呢。 我们通过图3来做简单的解释：图上部分是风通过普通三叶片的气流示意图，气流通过叶轮做功后速度减慢，由于速度变慢气流体积有所增大，就有图中所示的气体发散的流动曲线。图2下部分是风通过多叶片的气流示意图，多叶片大大增加了气体通过的阻力，气流会分开绕过叶轮流向后方，只有部分气流通过叶轮做功，由于阻力大，通过叶片的风速也会降低得较多，所以叶轮实际得到的风功率减少了，这就是多叶片风力机得不到更多风能的重要原因。

风力发电机的分类

1,风力发电机按叶片分类。 按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 （1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。 （2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。 凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。所以绝大多数风扇都是三片叶的。三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。降低维修成本。 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 2,按照风力发电机的输出容量可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级系列。 （1）小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。 （2）中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。 （3）大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。 （4）兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。 3,按功率调节方式分类。可分为定桨距时速调节型，变桨距型，主动失速型和 独立变桨型风力发电机。 （1）定桨距失速型风机；桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。

风力发电机结构图分析风力发电机原理

风力发电机结构图分析风力发电机原理 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。风力研究报告显示：依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度(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，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。下面先看风力发电机结构图。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行;我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机结构图指出：风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25v变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220v市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。风力发电机结构图显示：目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200w风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500w甚至1000w乃至更大的功率出。 现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用)，现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。 风力发电机结构图显示：风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网;同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元

风力发电机叶片工艺流程

风力发电机叶片制作工艺流程 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。 2）提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。 4）可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。 5）可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW?h)，价格可和燃料发电相比。 6）利用导电性能避免雷击

风力发电机的组成部件其功用

风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器 图3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。 1 风轮 风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。

风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。 图3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图3-3-7 叶片结构 （a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面； (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。 木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不

风机叶片原理和结构

风机叶片的原理、结构和运行维护 潘东浩 第一章风机叶片报涉及的原理 第一节风力机获得的能量 一.气流的动能 1 2 i 3 E= 2 mv =2 p Sv 式中m——气体的质量 S——风轮的扫风面积，单位为m2 v 气体的速度，单位是m/s p ------空气密度，单位是kg/m3 E 气体的动能，单位是W 风力机实际获得的轴功率 P=2 p sJc p 式中P----- 风力机实际获得的轴功率，单位为W； p ------空气密度，单位为kg/m3; S ----- 风轮的扫风面积，单位为m2; v ----- 上游风速，单位为m/s. C p ---------- 风能利用系数 三.风机从风能中获得的能量是有限的，风机的理论最大效率

n Q 0.593 即为贝兹（Betz）理论的极限值。 第二节叶片的受力分析 一.作用在桨叶上的气动力 上图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速

度情况下的受力分析。在叶片局部剖面上，W是来流速度V和局部线速度U的矢量和。速度W在叶片局部剖面上产生升力dL和阻力dD，通过把dL和dD分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn和旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。 上图中的几何关系式如下： W =V U ①=0 + a dFn=dDs in ① +dLcos ① dFt=dLs in ①-dDcos ① dM=rdFt=r（dLsin ①-dDcos①） 其中，①为相对速度W与局部线速度U （旋转平面）的夹角，称为倾斜角；0为弦线和局部 线速度U （旋转平面）的夹角，称为安装角或节距角; a为弦线和相对速度W的夹 角，称为攻角。 ?桨叶角度的调整（安装角）对功率的影响。（定桨距） 改变桨叶节距角的设定会影响额定功率的输出，根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低 风速时的功率系数和考虑高风速时的失速性能。定桨距风力发电机组 在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的。但在 高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率（额定功率点）的影响是十分明显的。事实 上，调整桨叶的节距角，只是改变了桨叶对气流的失速点。根据实验结果，节距角越小，气 流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力机可以在不同的空气密 度下调整桨叶安装角的根据。 不同安装角的功率曲线如下图所示： 750KW国产桨叶各安装角实际功率Illi线对比图 ! --------- ——B ----------------! *pitchy—00 P itch=-3. 00 pitcta-L T5 pi 75 ―*—pitch=-Q. 00 * 1 -------- piteh=l.00——= ---------------- i

风力发电机原理及结构

风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 （1）风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。 1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而

不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。 目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂

风力机叶片设计

风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价 风力机叶片设计、制造的趋势和评价风力机叶片设计、制造的趋势和评价美国Sandia 国家试验室 Paul S.Veers,Thomas D.Ashwill,,Herbert J. Sutherland,https://www.docsj.com/doc/3017158914.html,ird and Donald.W Lobitz 等著前言风力机叶片的尺寸和产量都巳稳定增大，现在主流产品功率为 1MW 至 3MW。80 米直径的转子巳在生产，90 米至 120 米直径的转子已有样机。2001 年生产风力机叶片共用了5 万吨成品玻璃纤维层合板，今后几年还会增加。叶片变长叶轮变大，都会增加叶片在整机成本中的比重。因为叶片是整台风机的关键部件之一,改进叶片的设计、制造及性能，一直是研究开发的主要目标。叶片设计和制造的改进基于多年的生产经验和工业研发。有的研发是欧美政府资助的项目。研究的重点是,多种叶片设计和材料技术。技术挑战包括:尺寸加大但抑制重量增加、改进功率性能和减轻载荷、方便运输、使疲劳循环达 1 亿至 10 亿次、和降低设计裕度。叶片只占风机成本的 10% ~ 15%，所以靠叶片来降低能源价格(COE)，其作用是有限度的。如果创新的叶片设计,能降低 10% ~ 20%载荷，则能从几个主要部件(如塔、传动轴系、叶片本身)都得到好处。适当的叶片成本降低，和带来的其它系统造价降低，可降低能源价格。设计和制造历史上的叶片结构和制造方法图1 是切面图，表示风机叶片的典型结构。翼缘(大梁盖)为较厚的主要是单向纤维铺层组成，以承担拍打方向的弯矩。叶片蒙皮是典型的双轴向的(double-bias)或三轴向的(triaxial)玻璃纤维;轻木或泡沫塑料芯是抗屈曲用的。过去，叶片用全玻璃纤维铺层或个别情况用碳纤维局部加强制造。当叶片长度到 30 米时，最普通的制造方法是湿法手工铺放敞模成型。值得注意的例外是 Vestas,她造叶片一直用预浸料玻璃纤维。 图 1. 风力机叶片结构图叶片质量增加的趋势图 2 给出 750KW 至 4.5MW 风机叶片质量与风机转子半径的关系。简单地放大叶片，其质量将按转子半径的立方增加。但图 2 并非如此，仅是半径 2.3 次方的关系。从图 2 还可看到叶片质量有较大分散度。这主要因为材料、制造方法及设计准则的变化。对某一设计等级的某个制造厂,还可发现其质量增大另一种趋势。Vestas 的 V66 和 V80 叶片的质量差就是半径的 2.7 次方的关系。此指数值很接近立方放大关系。因为 V66 巳用了高性能预浸材料，己是轻重量设计,再降低重量(假定未改变纤维种类) 的空间不大了。质量增长指数低于立方关系，很可能是采用较厚截面的翼型的结果。LM35.0 和 LM43.8,在 IEC 二级,的质量差放大指数为半径的 1.7 次方,这大大低于其它各家的。这是因为 LM 设计中已在材料性能上采取了重大改进 , 和使用较厚截面的翼型。 图 2. 商用 MW 级叶片设计的质量增长(基本为玻璃纤维) 参 考文献 2 详细介绍了，商业叶片质量增长趋势，和气动力、结构设计、材料、

风力发电机叶片材料的选用

风力发电机叶片材料的选用 叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子，使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行，对叶片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受住极端恶劣条件和随机的负荷（如暴风等）的考验，确保安全运转20年以上；②成本（精确说为分摊到每度电的成本）低；③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好； ④耐腐蚀、耐紫外线（UV）照射和抗雷击性好；⑤维护费用低。 FRP完全可以满足以上要求，是最佳的风力发电机叶片材料。 1.1 GFRP 目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）制造。GFRP叶片的特点为： ①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度风机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维（GF）受力为主的受力理论，可将主要GF布置在叶片的纵向，这样就可使叶片轻量化。 ②翼型容易成型，可达到最大气动效率为了达到最佳气动效果，利用叶片复杂的气动外形，在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型，如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。 ③使用时间长达20年，能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好。 ④耐腐蚀性好由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能，可将风机安装在户外，特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说，能将风机安装在海上，使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。 为了提高GFRP的性能，还可通过表面处理，上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维（CF）的水平。 GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力，而其它方向承受的力相对较小。 叶片由蒙皮和主梁组成，蒙皮采用夹芯结构，中间层是硬质泡沫塑料或Balsa木，上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设，一般用7或4GF布，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力；为简化成型工艺，可不用

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析(精品doc)

风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 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，必须深入开展风力机设计、分析方面的研究。本文根据传统的 的叶片设计方法设计了2MW 风力机叶片，并生成三维几何模型， 然后利用有限元模拟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。 关键词：风力机，叶片，有限元模拟，优化 THE FE SIMULATION AND OPTIMAL DESIGN OF WIND TURBINE COMPONENTS ABSTRACT In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in China, more study should be done in the field of wind turbine design and analysis. In this paper, a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created. Then the modal analysis is done through the FE simulation to get the frequency and mode shape, which provides the theoretic basis to prevent resonance.

无叶片风力发电机--VORTEX

VORTEX——没有叶片的风力发电机就是这么酷 一．前言 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2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW[1]。随着全球经济的发展，所面临的能源问题和环境问题越来越严峻，使得风能等可再生能源迅速发展起来。根据国家能源局数据，2014年中国全部发电设备容量为1360GW，其中并网风电的容量达到了95.8GW，也就是说说，风电装机量在中国发电装机总量当中占据大约7%的份额。 一般情况下，我们所看见的风力发电机都是水平轴扇叶风机，他们有着很大的风机叶片，以此来吸收风能并发电。然而，这样的风电机有一些弊端。一个风电场的众多风机之间的排列需要较大的安全距离，也就是说一块固定大小的地面上能够安装的风电机数量是有限的；另外，扇叶的旋转也对鸟类带来了危险。 想象一下，一个没有叶片的风机会是什么样纸？它需要更少的材料，成本更低，噪声更小，对环境友好度更好……关上你的脑洞，来一睹它的风采吧↓↓↓

这个酷炫的没有叶片的风机是由西班牙公司Vortex Bladeless开发。无叶片风机Vortex 的工作原理是利用结构的振荡捕获风的动能，从而利用感应发电机或压电发电机将风的动能转变成电能输出。该设计理念将减少常规涡轮机中很多零部件的设计与制造，如叶片，机舱，轮毂，变速器，制动装置，转向系统等，从而使无叶片风机Vortex具有无磨损、性价比高、便于安装和维护、环境友好型及土地利用率高等显著特点。 二．Vortex的发电原理——卡门涡街 无叶片风机Vortex的基本发电原理是卡门涡街，维基百科上这样描述它，“在流体中安置阻流体，在特定条件下会出现不稳定的边界层分离，阻流体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的旋涡，其中一侧的旋涡循时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，如街道两边的街灯般，这种现象，因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多·冯·卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街”[2-3]。 卡门涡街可以解释许多现象。1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。华盛顿州政府特为此而设立专案调查组，经过美国空气动力学家西奥多·冯·卡门在加州理工学院风洞进行模型测试，证明塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，

风力发电机结构介绍

风力发电机结构介绍 风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机9、机座10、滑环11、偏航轴承12、偏航驱动13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 （1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。 （2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。 （3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。 （4）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 （5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。 （6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 （7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 MY1.5s/se型风电机组主要技术参数如下： （1）机组： 机组额定功率：1500kw

风力发电机叶片结构及有限元分析

编号： 本科学年论文 题目：风力发电机叶片结构及有限元分析 学院：机械工程学院 专业： 年级： 姓名： 指导教师： 完成日期：2013/6/8

一级标题 风力发电机叶片结构设计及其有限元分析 摘要 为了更好地发展我国的风力发展事业，实现风力发电机的国产化。必须深入开展风力机设计，分析方面的研究。本文根据传统的叶片设计方法设计了2MW的风力机叶片。并生成三维几何模型，然后利用有限元模拟，对叶片进行了振动模态分析，得到各个阶段的频率和振型。为防止结构共振提供了依据。 关键词：风力机；叶片；有限元模拟；优化。

内蒙古民族大学学年论文 The Of Simlation And Optimal Design Of Winp Turbine Compnents In order to promote the capability of design and manufacturing of wind turbine in china and analysis。in this paper a blade for 2MW wind turbine is designed according to the traditional design procedure and the 3D geometrical model is created，then the modal analysis through of FE simulation to get the frequency and mode shape which provides the theoretic basis to prevent resonance Key Word： Wind turbine ，blade ，FE simulation ，optimization

风力发电机叶片的维护讲解

酒泉职业技术学院 毕业设计（论文） 11 级风能与动力技术专业 题目：风力机叶片的故障分析及维护 毕业时间：二O一四年六月 学生姓名：王立伟 指导教师：甄亮 班级：风能与动力技术（1）班 2013年11月2日

酒泉职业技术学院届各专业毕业论文（设计）成绩评定表

目录 摘要 (3) 一、风机叶片简介 (3) 二、维护叶片的目的 (3) 三、叶片产生问题的原因及故障分析 (4) （一）叶片产生问题的原因类型 (4) (二)风机叶片的常见损坏类型及诊断方法 (9) 四、叶片的维护 (13) （一）叶片裂纹维护 (13) (二)叶片砂眼形成与维护 (13) (三)叶尖的维护 (13) 总结 (14) 参考文献 (15) 致谢 (16)

风力机叶片的故障分析及维护 摘要：叶片是风力发电机将风能转化为机械能的重要部件之一,是获取较高风能利用系数和经济效益的基础，叶片状态的好坏直接影响到整机的性能和发电效率，应该引起风电企业的高度重视。风机多是安装在环境恶劣、海拔高、气候复杂的地区，而叶片又恰恰是工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，其故障率在整机中约占三分之一以上。定期检查，早期发现，尽快采取措施，把问题解决在萌芽状态是避免事故、减少风险、稳定电场收益的最有效方式。。 关键词：叶片；故障分析；维护 一、风机叶片简介 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片是一个大型的复合材料结构,其重量的90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。 二、维护叶片的目的 风机叶片是风电机组关键部件之一，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片, 春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。据统计，风电场的事故多发期多是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的三分之一，叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护还没有引起充分认识，投入严重不足，风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的送电和经济效益。根据对风电场的调查和有关数据分析，并参阅了许多国外风电场维护的成功经验，我们对风电场的日常维护的必要性有

基于ANSYS风力机叶片的设定方法

摘要介绍近年来将有限元软件ＡＮＳＹＳ应用于风力机叶片设计和分析的发展概况．并详细阐述使用ＡＮＳＹＳ实现叶片从实体 建模、材料参数定义、网格划分到性能计算的设定方法．为更好的进行风力机叶片结构设计、强度分析奠定基础。 关键词 风力机叶片 ＡＮＳＹＳ软件分析 中图分类号：ＴＫ８３１．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９０６４（２００９）０２－０１０２－０３ 随着大型有限元通用程序的推广和普及以及计算机硬件技术的飞速发展，有些高校、企业和科研单位开始将有限元分析技术用于风力机叶片分析设计研究之中，但还不是很普及。ＡＮＳＹＳ软件是市场占有率最高的有限元软件之一。它是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件｛”。风力机在风能利用中占有最主要的地位．而叶片则是风力机中核心的部件。大型水平轴风力发电机组终年运行在复杂的自然环境中，所受载荷情况非常复杂．主要包括空气动力载荷、重力载荷和惯性载荷。在风力发电机组的研究设计中，为了对其零部件进行强度分析、结构力学分析以及寿命计算，确保风力机在其设计寿命内能够正常运行。必须对风力机及其零部件进行静、动态分析。为风力机叶片结构改进和优化设计提供可靠的依据。 本文就近年来研究人员利用有限元法对叶片进行分析设计进行了总结，介绍了ＡＮＳＹＳ在叶片分析设计中的几种强大功能，应用这些功能可帮助研究人员进一步缩短研发时间，提高工作效率，降低研发成本。 ｌ叶片的实体建模 一般构造叶片实体模型的方法有２种：①在ＡＮＳＹＳ有限元程序中直接创建实体模型。可以采用自底向上自顶向下或者混合的建模方法；（函引入实体模型是将ＣＡＤ／ＣＡＭ软件中Ｐｒｏ，Ｅ、ＵＧ等创建好的实体模型通过数据接口转换过滤器引入到有限元分析程序中去进行分析的一种方式。 由于风力机叶片外形和截面形状复杂，在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长．使得对叶片的实体建模存在较大的困 难。一般采用国际流行三维建模软件Ｐｒ０／Ｅ对叶片进行实体建模１２ｌ。所建立的叶片实体文件生成为ＩＣＥＳ格式，再由ＡＮＳＹＳ读取。以 图１用Ｐ删，Ｅ建立的叶片模型 ＮＡＣＡ６２３—６１５为例进 行建模及分析。 ２叶片的静态分析 静态分析是计算在固定不变载荷作用下结构的响应。如位 移、应力。应变及反力等，校核结 图２导入到ＡＮＳＹＳ叶片模型 构的强度、刚度，确保结构既能安全、正常工作．又符合经济性 要求。静态分析的基本步骤是单元分析、网格划分、约束处理、方程求解和结果后处理。后两步是由计算机和软件共同完成，这里主要对前三步进行介绍。 ２．１单元类型的选择 对于叶片这种用复合材料铺层结构的，根据材料的力学特性为正交各向异性还是各向同性．材料性能与纤维主轴取向、铺层数、铺层厚度等，所采用的单元类型和单元属性不尽 相同。 ＡＮＳＹＳ程序巾提供了一种特殊的单元一层单元，来模拟 复合材料．利用这些单元就ｎｒ以作任意的复合材料结构分析。用于建立复合材料模型的单元有ＳＨＥＬＬ９９、ＳＨＥＩ。１，９１、 ＳＨＥＬＬｌ８１、ＳＯＬＩＤ４６和ＳＯＬＩＤｌ９１ ５种单元，单元类型和形状 的选择依赖于结构或总体求解域的几何特点和方程类型及求解所希望的精度等１３】。前３种是３Ｄ壳单元，后两种是３Ｄ实体单元。由于风力机叶片的结构是大宽厚比，所以适合于选择壳单元．其中ＳＨＥＬＬ９９和ＳＨＥＩ。Ｉ．９ｌ都廿『用于风力机叶片。这两种单元都为８节点３Ｄ单元，ＳＨＥＬＬ９９允许有多达２５０层的等厚材料。用户町通过输入自定义的材料矩阵来建立模型。该单元可进行失效分析。它还有一项町以将单元节点偏置到结构的表层或底层。而ＳＨＥＩ．Ｌ９１单元允许的复合材料最多有１００层，而且用户不能输入自定义的材料性能矩阵。但该单元支持塑性、大应变行为以及具有一个特殊的”ｉ明治”选项，所以ＳＨＥＬＬ９ｌ单元更适合大变形的情况１４１。 ＳＯＬＩＤ４６单元是８节点３Ｄ实体单元ＳＯＬＩＤ４５的一种叠层形式，它的每个节点有３个自由度，每个单元允许２５８层的 作者简介：韦丽珍（１９７７－）。女。硕士研究生，研究方向：基于ＡＮＳＹＳ兆瓦级风力发电机叶片的戢荷研究。

风电叶片的改进

风电叶片的改进 传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。 1 碳纤维在风力发电机叶片中的应用 叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。 1）提高叶片刚度，减轻叶片质量 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。 2）提高叶片抗疲劳性能 风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。 3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。 4）可制造低风速叶片 碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。 5）可制造自适应叶片 叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适