750kw风力发电机叶片建模与仿真分析解析

毕业论文题目：750KW风力机叶片建模与模态仿真分析

学院：

专业：机械设计制造及其自动化

班级：学号：

学生姓名：

导师姓名：

完成日期： 2014年6月20日

诚信声明

本人声明：

1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；

2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；

3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：日期：年月日

毕业设计（论文）任务书

题目： 750KW风力机叶片建模与模态仿真分析

姓名学院专业班级学号

指导老师职称教研室主任

一、基本任务及要求：

1、查阅20篇左右文献资料，撰写开题报告和文献综述。

2、确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。

3、应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。

4、应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。

5、改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。

6、按照要求撰写毕业论文和打印图纸。

二、进度安排及完成时间：

2014.2.20－3.5：课题调研（含毕业实习及撰写毕业实习报告）、查阅文献资料。2014.3.6－3.28：撰写文献综述和开题报告。

2014.3.29－4.8：确定叶片主要翼形构成、外形参数及载荷。

2014.4.9－4.19：应用三维建模软件建立叶片三维实体模型。

2014.4.20－4.27：应用仿真软件对复合材料叶片进行模态仿真分析。

2014.4.28－5.5：改变叶片转速，讨论复合材料叶片动力刚化效应对振动的影响。2014.5.6－5.26：撰写毕业论文、完成设计。

2014.5.27－6.10：整理毕业设计资料，毕业答辩。

目录

摘要 ............................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)

1.1 前言 (1)

1.2研究的目的和意义 (1)

1.3风力机叶片气动性能的研究现状 (2)

1.4风力机叶片结构分析的研究现状 (3)

1.5 风力机叶片模态分析研究现状 (4)

第2章叶片建模简介与建模软件 (6)

2.1 叶片建模简介 (6)

2.2 UG NX产品简介 (6)

2.3 本章小结 (7)

第3章叶片模态分析理论与ANSYS软件介绍 (8)

3.1叶片模态分析理论 (8)

3.2 ANSYS软件介绍 (9)

3.3 本章小结 (10)

第4章叶片外形设计与三维建模 (11)

4.1风力机叶片 (11)

4.2叶片结构 (11)

4.3风力机叶片翼型选择及设计参数 (12)

4.3.1 翼型的选择 (12)

4.3.2 叶片设计参数 (13)

4.3.2 叶片截面空间坐标的求解 (15)

4.3.3 坐标求解方法及结果 (16)

4.4 叶片实体建模 (17)

4.5 本章小结 (20)

第5章模态仿真分析 (21)

5.1 分析步骤 (21)

5.2 叶片在约束状态下的模态分析 (26)

5.2.1壳体填充模态 (26)

5.2.2 壳体模态 (28)

5.2.3 结果分析 (29)

5.3.预应力模态 (30)

5.3.1额定转速工况 (30)

5.3.2对不同转速分析 (32)

5.4 本章小结 (32)

第6章结论与展望 (33)

6.1 结论 (33)

6.2 展望 (33)

参考文献 (35)

致谢 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

750KW风力机叶片建模与模态仿真分析

摘要:本文对某型750KW水平轴风力机叶片进行研究，根据已有气动理论和相关气动软件propid来确定叶片的最优外形参数。运用UG NX7.5结合Excel软件来进行叶片的三维建模。然后，利用有限元分析软件ANSYS/Workbench对建好的模型进行模态仿真分析，获得叶片在静止状态和额定转速下的前12阶的模态振型和固有频率，得到结论，挥舞和摆振是风力机叶片的主要振动形式，从振型图可以看出，叶片的振动节点主要分布在叶尖三分之一处。从现实风机叶片疲劳破坏来看，大多数叶片折断点主要在叶尖三分之一处。在预应力叶片模态分析结果中可知，叶片从第一阶至六阶振型均表现为弯曲的振动，可见叶片的振型主要表现为挥舞弯曲振型。在不同转速下叶片的动力刚化是叶片的转动与其弹性变形相互影响的结果，转速增高，惯性力对刚度的影响增大，叶片固有频率的增加越多。

关键词：风力机叶片，三维建模，模态分析。

3D Modeling and Modal Analysis on 750KW Large Wind Turbine Blade

Abstract:In this paper, a certain type of 750KW horizontal axis wind turbine blade research to determine the optimal shape of the blade aerodynamic parameters based on existing theories and associated pneumatic software propid. UG NX7.5 use Excel software to combine three-dimensional modeling of the blade. Then, using the finite element analysis software ANSYS / Workbench to build the simulation model of modal analysis, access to the previous 12-order mode shapes and natural frequencies of the blade in the stationary state and the rated speed, conclusion, waving and shimmy major wind turbine blade vibration forms can be seen from Figure modal vibration nodes mainly in the tip of the blade third. Fan blade fatigue damage from reality, the majority of the blade tip to break the main point in third place. Seen in prestressed modal analysis results leaves, leaves from the first-order vibration mode showed six bending vibration mode shapes of leaves visible mainly for waving bending modes. Power at different speeds of the blade is just the result of elastic deformation of the blade with the rotation of the interaction, the speed increases, the inertia force to increase the stiffness, the more the increase of the natural frequency of the blade.

Key words: wind turbine blades, 3D modeling, modal analysis.

第1章绪论

1.1 前言

近年来风力发电行业取得了快速发展[1]，并且风力发电机正朝着大型化的方向发展。叶片作为风力发电机上捕捉风能关键部件，其曲面设计复杂困难。叶片在朝大型化发展过程中，其自重增加，展长增大，同时承载复杂载荷，主要有重力载荷、惯性载荷和不定常变化的气动载荷，风机运行过程中受到这些周期性载荷，必然会产生持续的周期性振动，主要有挥舞，摆振以及扭振三种振动形式。振动问题会引起机构的疲劳损伤和破坏，影响设备的运行稳定性，这给大型风力机叶片的设计提出更大挑战。本文针对大型风力机叶片设计中的这些棘手问题，对大型风力机叶片三维模型建模和模态分析开展研究。

1.2研究的目的和意义

大自然中的风能具有不稳定、能量密度低地域分散等特点，风力机长期处在较为恶劣的大气环境中工作，长期受风剪切、表面污染腐蚀的影响，从而引起复杂的气动问题和流固耦合问题，对其安全性、可靠性提出了很高的要求。叶片是风力机组件中结构最为复杂的装置，风力机的大型化对叶片设计和制造工艺的要求也逐渐提高。

风力机叶片的设计过程中包括叶片的气动设计和结构设计，气动设计主要根据空气动力学原理设计确定叶片的几何外形、表面光洁度等，其目的是确保风力机叶片得到较高的升力，能更好的获取风能。结构设计主要是确定叶片的内部铺层等，确保叶片在受到离心力、弯扭距等情况下能够不发生失稳和局部较大变形，保证风力机安全稳定的运行[2]。

为了获得较好的气动性能，多把风力机叶片设计成不对称形状，这也加大了风力机叶片气动分析的难度。CFD的数值模拟方法是目前较为常用的叶片气动性能分析方法，这些方法已成功应用于湍流、风剪切、偏航、塔影等各种定常与非定常的气动现象的理论研究与工程应用中。由于风场中测风塔的数量限制，不同位置处的剪切风速分布亦可通过CFD软件求得。2000年NREL Phase VI盲比实验证明了CFD技术已成为分析叶片气动性能强有力的研究手段，即使是在流动具有很强三维性和深度失速的条件下[3]。

叶片大型化的发展趋势对其材料、强度、刚度、重量等方面的铺层结构设计提出了更高的要求，从而需要对叶片各部分的应力特征进行比较准确的分析来指导叶片的铺层结构设计[4]。风力机叶片的结构分析主要包括模态分析、应力应变分析、疲劳寿命分析和流固耦合分析等。常见的分析方法有实验分析和有限元分析，实验分析由于成本、可行性等因素只适用于尺寸较小的叶片，现在大型的风力机叶片更多采用有限元分析的方法。

我国的风力机制造行业相对国外起步较晚，虽然目前我们在世界风电行业的制造生产能力位于前列，但是我们还有很多不足。我们得核心技术没有外国企业先进，很多技术还需要向外国企业购买，但由于很多核心技术的保密性，我们国内的风力机生产制造水平与外国企业还有一点的差距，因此，对于提高我国风力机叶片自主研发能力，探索提高叶片的气动性能分析和结构分析准确性的方法，具有十分重要的意义。

1.3风力机叶片气动性能的研究现状

目前水平轴风力机气动分析方法主要有实验和数值计算两大类。实验方法包含风场测量和风洞实验，数值计算包括功率计算、动量．叶素理论、涡流理论、渐进加速势方法、CFD方法以及混合方法等。空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃、最具有发展潜力的学科之一。世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视，不惜花费巨额资金建设空气动力试验设施并开展研究工作。风力机模型进行风洞试验时，风力机风轮模型要求满足一定的相似准则：(1)几何相似，风力机的实物和风轮模型几何形状相似；(2)运动相似，风力机实物和风轮模型的叶尖速比相同；(3)动力相似，风力机实物和风轮模型的雷诺数相同。由此可知，如果风力机模型和实物的比例取1：10，为了保证风力机模型和实物的运动相似和动力相似，要求风力机模型试验时的风轮转速是实物运行的风轮转速的100倍，也要求模型试验时的风速是实物运行风速的10倍。大中型风力机的模型与实物的比例大，对风力机模型的转速和来流风速都有很高的要求，这时不仅要考虑空气压缩性的影响，对风轮模型的设计也带来很大的困难。

随着计算机技术的飞速发展，数值模拟软件的计算水平也在快速的提高。先进的商用CFD数值模拟软件通过在旋转坐标系下对三维的N-S控制方程进行求解，通过添加湍流模型来解决粘性问题，为风力机气动性能的研究提供了精确的气动参数。Agarwal和Dee s[5]通过修正风力机叶片刨面的迎角估计了尾流对叶片

的影响，并且求解了欧拉方程的尾迹流场。Duque，Van Dam和Hughes[6]利用CFD方法求解了纳维．斯托克斯(N-S)方程，并与实验结果进行了比较。Madsen[7]。对比分析了CFD方法和动量理论方法的计算结果。Banesley，John，Naramore，Wood[8-13]等采用CFD方法对风力机在失速情况下的流场进行了数值分析。早期的学者对风力机的CFD数值模拟投入了大量的精力，也获得和可喜的成绩，为现在的风力机气动分析打下了良好的基础。随着数值计算、网格生成、边界层、湍流模型等技术的不断完善，CFD数值模拟必然会成为风力机气动研究的可靠方法，对风力机CFD模拟研究对风力机设计、气动性能的计算等不仅具有一定的学术意义，还有很高的工程价值。

1.4风力机叶片结构分析的研究现状

风力机叶片的振动性能对风力机叶片的载荷分布、可靠性、安全性都要直接的影响。由于风力机叶片几何外形的不对称性、风剪切、旋转的因素，风力机叶片受到的载荷具有随机性和交变性，叶片的振动是不可避免的。风力机叶片的振动是风力机的主要振动，对风力机叶片的结构动力学分析也是风力机分析中的重要一环。

国外的风电技术相比中国已经相当成熟，但结构分析大多基于小变形理论，现在已经开始进行非线性分析。目前，国外的风力机计算机辅助设计的制造技术已经成熟并走向商业应用。代表性的软件有英国的Garrad hassan公司研制的“Bladed For Windows”、荷兰Delft大学研制的“FOCUS”和ECN公司研制的“PHATAS-II”[14]。WT_Perf是美国俄勒冈州立大学编写的使用动力叶素理论来预测风力机性能的程序，美国国家风能技术中间的员工对其进行了改进并增加了很多新的功能和算法[15]。美国国家可再生能源实验室下属的国家风能技术中心在风力机分析和设计方面开发了几个程序：ADAMS，FAST_AD和YawDyn等，不同程序对应不同的功能。其中ADAMS是一款可视化的商用多体动力学分析软件，FAST_AD和YawDyn是俄亥俄州立大学开发的用于性能和结构响应的计算程序[16]。Donghoon Lee等[17]采用一种基于把风力机看成是带有刚性体和柔性体的多柔性体系统。M.H.Hansen[18]利用特征值的方法来分析风力机气动稳定性。Anders Ahlstrom用非线性有限元软件MSC.MARC对风力机进行分析[19]。Md.Quamrul ISLAM和A.K.M.Sadrul ISLAM使用片条理论和叶栅理论对水平轴风力机的气动性能进行了计算分析，并指出在低叶尖速比是叶栅理论计算效果更

好[20]，Wilson[21]等面试了ADC程序，ADC建立了2桨叶HAWT模型。该模型包括了叶片的挥舞、转子的摆动偏转、塔架的顺风向横风向运动和传动链柔性，该程序允许输入具有不同尺寸、刚度和重量的桨叶，并可处理剪切风、塔影效应和湍流问题。

信伟平[22]引一利用自行开发的BLADE DESIGN FOR WINDOWS中的叶片结构分析模块，建立叶片有限元模型，进行了风力机旋转叶片的动力特性及响应分析。陈彦[23]．利用有限元法研究了桨叶与转子、机舱、塔架的动力响应。韩新月[24]建立了风力机叶片在桨距角和转速变化时的动态气动分析模型，并对风力机叶片进行了结构动力分析及优化设计。何婧等采用动量叶素理论进行风力机气动性能的计算分析，并用有限元模型对塔架进行了模态分析，建立风力机ADAMS柔性多体动力学仿真模型，并在MATLAB／Simulink环境下建立风力机传动链的数学模型，同时进行传动链系统的编程运算，充分考虑了气弹耦合特性以及传动系统的影响，最终实现在MATLAB／Simulink和ASAMS基础上对风力机系统振动性能的联合仿真[25]。仿真数据同国家著名的风力机分析软件Bladed计算数据进行了比较，分析表明，改联合仿真方法可以较好的模拟风力机的振动特性[26]。

1.5 风力机叶片模态分析研究现状

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，理论计算和实验研究都是相互补充和相互促进。有限元计算确定计算结构的动力学模型，然后使用实验确定特征参数等，在动力学模型的基础上可以计算整个结构对激励的响应，以及进行结构动力学优化修改。

赵娜等[27]以1MW水平轴风力机叶片为例，应用ANSYS有限元软件，通过APDL参数化语言实现风力机叶片的有限元建模。利用ANSYS建模技术对风力机叶片进行模态分析及稳定性分析。李德源等[28]水平轴风力机旋转风轮振动模态汁算分析方法和影响固有频率汁箅结果的因素进行了研究。应用多体动力学的

方法．探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因；考察了叶片动力刚化效应阱及玻璃钢／复合材料的各向异性性质对叶片振动模态的影响。王旭元等[29]利用ANSYS有限元软件，建立复合材料风力机叶片的有限元模型，输入复合材料特性参数，施加边界条件，求解计算，确定风力机叶片模态和频率，为叶片铺层结构设计提供依据。张春丽等[30]采用桥联理论与有限元软件结合的方法，对三维结构复杂的复合材料风机叶片逐次破坏过程和极限承受载能力进行了数值模拟和计算，同时利用NREL开发的专门计算合法材料和叶片性能的Precomp程序计算出叶片截面的力学参数。

第2章叶片建模简介与建模软件

2.1 叶片建模简介

随着高性能计算机的普及．数值模拟技术的飞速发展．风力机的气动模拟计算、振动模拟计算等都对风力机的三维造型有更高的要求。风力机叶片又是风力机中最关键．也是受力最复杂的部件．其设计的好坏对整个风力机的性能有着决定性的意义[31]。然而，由于风机叶片的外形与内部结构较为复杂，一般由前缘、后缘、梁帽、腹板等不同区域组成的，不同的区域具有不同的复合材料铺层，因此在结构分析的三维壳模型建模过程中必须把叶片壳体按照铺层方式的不同分割为不同的材料面，以便对其赋予各自的复合材料参数。特别是在翼展方向存在扭转角和渐缩的弦长。

叶片的三维建模就很困难，目前来讲，风力机叶片建模有两种方法是: 第一种是采用三维建模软件如Pro/E/、UG、Solidworks等建立模式，一般步骤是首先通过坐标变换得到三维坐标系，然后将所得到的点输入至 UG 或者其他三维建模软件，再绘制出相应的曲线，最后生成相应的叶片模型[32-37]。第二种是利用ANSYS直接建模。本文就是基于通用的办公软件EXCEL和强大的曲面建模功能软件UG对风力机叶片进行三维建模研究．并应用该方法对750kW水平轴风力机叶片进行参数化建模．为后续的工作，即对叶片气动性能．叶片的刚度、强度和使用寿命等性能分析奠定了强有力的基础

2.2 UG NX产品简介

SIEMENS PLM Software 的旗舰数字化产品开发解决方案NX软件性能优良、集成度高，功能涵盖了产品的整个开发和制造等过程。NX建立在为客户提供优秀的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。NX的独特之处是知识管理基础，工程专业人员可以使用其来推动革新以创建出更大的利润，还可以管理生产和系统性能知识，并根据已知准测来确认每一设计决策。利用NC建模功能，工业设计师能过迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度满足设计概念的审美要求。

UG／实体建模模块将基十约束的特征造型功能和显式的直接儿何造型功能无缝地集成一体，提供业界最强大的复合建模功能，使用户可充分利用集成在先

进的参数化特征造型环境中的传统实体、曲面和线架功能。该模块提供用于快速有效地进行概念设计的变量化草图工具、尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的工具，使用户既可以进行参数化建模又可以方便地用非参数方法生成二维、三维线架模型，扫掠和旋转实体以及进行布尔运算；也可以部分参数化或将非参数化模型后参数化，方便地生成复杂机械零件的实体模型。

UG／自由曲面建模模块独创地把实体和曲面建模技术融合在一组强大的工具中，提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能，可以方便地设计如飞机、汽车、电视机及其他工业造型设计产品上的复杂自由曲面形状。这些技术包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动、等矩或不等距偏置、曲面剪裁／编辑等。该模块同时支持通过一组曲线线架逼近或通过测量点云逼近生成曲面等逆向工程的功能。生成的曲面模型既可通过修改定义曲面的曲线、改变参数数值，也可利用图形或数学规律来控制曲面形状，例如可变半径倒圆角或可修改截面积的扫掠曲面。生成的曲面模型与所有其他Unigraphics功能完全集成。该模块还包括了易于使用的复杂曲面形状、尺寸和曲率光照评估检查工具。

2.3 本章小结

本章主要介绍了风力机叶片的建模方法和本文建模用到的软件UG NX7.5在三维建模方面的优势，为后续的建模工作奠下坚定的基础。

第3章叶片模态分析理论与ANSYS软件介绍

风力机结构动态特性分析涉及多方面的内容，其中主要是研究风轮的固有频率和振型，从而分析风力机在外载荷作用下的结构动力学特性。目前研究静止风轮结构动态特性广泛采用的是模态分析。它的主要方法是将耦合的运动方程组解耦成为相互独立的方程，通过求解每个独立的方程得到各模态的特性参数，进而就可以用所求得的模态参数来预测和分析该系统的运动特性等。模态分析分为计算模态分析和试验模态分析两种。试验模态分析针对具体的叶片进行，结果可靠，因此本文中采用试验模态分析的方法来研究风力机的结构动力学特性。风力机是旋转机械，风轮旋转过程中，固有频率会随着转速的升高而升高，这涉及到动频问题。

3.1叶片模态分析理论

模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。模态分析的经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括固有频率、振型、振型参与系数(即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动)等。模态分析是所有分析类型中的最基础的内容。

机械结构系统通用运动方程为:

[M]{ü}+[C]{u }+[K]{u}={F(t)} (3.1) [M]为质量矩阵;{ü}为加速度向量;[C]为阻尼矩阵;{u}为位移向量;[K]为刚度

矩阵;{F(t)}为作用力向量。

当结构自由振动时,{F(t)}=0,忽略阻尼项：

[M] {ü} + [K] {u} =｛0｝(3.2) 风力机叶片与轮载之间的连接可认为是固定连接，即叶片根部节点的自由度被约束，也就是说根部节点的自由度为0.

风力机受力情况复杂，叶片受到的动载荷是风载荷，因为周期激振作用,

必须对其做动力学研究[38]。摆振就是叶片在旋转平面内的摆动；挥舞就是叶片在垂直于旋转面上的运动；扭振是叶片绕展向轴的扭转。风机叶片的振动方式

主要是这三种[39]。

3.2 ANSYS软件介绍

ANSYS软件是融结构、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。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro／Engineer，UG，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地利用其构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

自ANSYS 7.0开始，ANSYS公司推出了ANSYS经典版（Mechanical APDL）和ANSYS Workbench版两个版本，并且目前均已开发至15.0版本。ANSYS Workbench提出的背景主要是：传统CAE软件在设计研发中的不足；对分析人员的要求高，主要是有限元的概念，与相关行业功能结合较少；数据接口与共享不方便，处理模型的功能较弱；主要是设计后期使用，而不是贯穿整个设计过程。ANSYS Workbench 主要又四个模块组成：Design Modeler（几何建立模块）用了建立CAD几何模型，为分析准备；Design Simulation（计算仿真模块）是用ANSYS 的分析模块，实现网络划分、求解以及后处理；Design Xplorer（优化模块）用

于研究变量的输入（几何、载荷等）对响应（应力、频率等）的影响，可实现优化；FE Modeler（有限元模型转化模块）用了把其他有限元网格模型转化为ANSYS识别的数据库文件。

ANSYS有限元在风力机结构有限元分析中的应用。由于ANSYS软件有着许多优点，目前已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、交通、国防军工、通用机械等一般工业及科学研究。风力机械作为通用机械，亦可以用ANSYS软件来对其进行优化设计、分析等。随着大功率风力机的出现和风力发电设备国产化进程不断加快，ANSYS软件已应用于风电机组一些部件的结构设计与分析中，如塔架、齿轮、机舱、轮毂、叶片和整个风轮等，但这些分析主要集中在模态分析上。本课题主要应用ANSYS软件对风力机当个叶片及风轮进行模态分析，通过模态分析计算叶片无预应力和有预应力情况下的固有频率和振型。这将拓展ANSYS有限元软件在风力机中的应用。

3.3 本章小结

本章介绍了模态分析的理论和方法，以及介绍了本文模态分析用到的软件和该软件在模态分析方面的优势，为后续模态分析奠定了基础。

第4章叶片外形设计与三维建模

4.1风力机叶片

叶片是风力机的关键部件之一，它涉及到气动、复合材料结构、工艺等。在兆瓦级风电机组中，叶片技术更为关键。如750KW主力型风力机叶片长24-27m，每片重2t左右，设计制造难度还是很高。国外最著名的叶片公司是丹麦的LM 公司，它是世界上最大的全球叶片生产商，世界上正在运行的风力机将近1／3以上是LM公司的。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料(GFRP)，对于长度大于40m的叶片可以采用碳／玻璃混杂复合材料，但由于碳纤维价格昂贵等因素，还是未能全面使用。玻璃纤维增强复合材料的风力发电机叶片具有一下特点：①可以根据叶片的受力形式及特点来设计满足叶片的刚度和强度。叶片振动主要是挥舞，也就是主要承受纵向受力，即离心力和气动弯曲载荷，气动弯曲的载荷要比离心力载荷大很多，剪切和扭转所引起的剪应力倒不大。考虑纤维主方向受力为主，可以把大部分纤维安放在叶片的展向，这样既能满足强度和刚度的要求，还可以减轻叶片的重量。②叶片容易成型，在风轮不同的半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，用金属制造十分困难。③叶片设计寿命一般是20年，要求经受108次以上的疲劳交变，因此对材料的疲劳性能要求要好，而GFRP的疲劳强度较高，缺口敏感性也很低，内阻尼大，抗振性能好。④GFRP具有很好的耐腐蚀性。风力机都是在户外，沿海也分布很多，叶片受气候的影响，对叶片材料的要求具有耐酸、碱、水汽。

4.2叶片结构

任何类型叶片，尽管受力状态十分复杂，但主要承载沿叶轴的纵向力，即离心力和弯曲力。在高转速的螺旋桨中，飞机螺旋桨叶片，离心应力和弯曲应力之比高达3～10或更高；在中等转速的叶片中，离心应力和弯曲应力属同一量级；而在低转速的；而在低转速的风力机叶片中弯曲应力则比离心应力大，特别是大型叶片中。叶片剖面结构形式的设计，是叶片叶身设计的重要环节，它的设计好坏，对叶片构性能影响很大。除了小型叶片外，玻璃钢叶片一般不采用实心结构，因为空腹薄壁结构既能提高叶片的整体刚度又可以减轻重量。由于薄壁结构在受载时比较容易引起失稳或局部变形过大，因此除了外载荷较小的叶片可以直接用空腹薄壁结构外，为了提高叶片总体刚度，增加承载能力，防止局部失稳，可根

据具体情况分别设置大梁、肋条(剪切腹板)，或在空腹内填充硬质泡沫塑料。4.3风力机叶片翼型选择及设计参数

4.3.1 翼型的选择

现代风力机通常是采用三叶片的上风或下风结构。风力机叶展形状、翼型形状与风力发电机的空气动力特性密切相关。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力，使之尽量趋于最大值，以增加风力机的风能利用系数。叶片通常由翼型系列组成。由于叶片根部各翼型力臂较小，对风力机风轮输出扭矩贡献不大，所以叶片根部对风力机性能影响较小，主要考虑加工方便和强度问题。在尖部采用薄翼型以满足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或较大升力系数翼型的较厚形式，以满足结构强度的需要。典型运行工况下的雷诺数范围是5×105—2×106。常用的翼型有NACA44xx系列、NACA644xx系列和NACA230xx系列等航空翼型：专用翼型有美国的SERI翼型系列以及NREL翼型系列、丹麦的RIS —A系列翼型和瑞典的FFA—W系列翼型族。

本文所采用NREL's系列的翼型s818、s825、s826，该翼型来自美国windPAT 项目研究结果。翼型图如下表所示

图4.2 s818翼型图

图4.3 s825翼型图

图4.4 s826翼型图

4.3.2 叶片设计参数

（1） 叶轮直径

实际设计过程中，对于一般功率给定的风力机叶轮直径由下式给出 4

2

3π

ρ

η

n

p n V

C p

D =

（4.1）

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。

风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电叶片制作工艺 介绍 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

风力发电叶片制作工艺介绍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。 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％。VestaWindSystem公司的V90型发电机的叶片长44m，采用碳纤维代

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，是卡门涡街引起吊桥共振。原设计为了求美观及省钱，使用过轻的物料，造成其发生共振的破坏频率，与卡门涡街接近，从而随强风而剧烈摆动，导致吊桥崩塌。

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

风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电叶片制作工艺介绍 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。 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％。VestaWindSystem公司的V90型

3.0MW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34m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

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.

风力发电机的组成部件及其功用

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。叶片的材质在不断

风力发电机的分类

,风力发电机按叶片分类. 按照风力发电机主轴地方向分类可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：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平地风力发电机. 水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机地优点；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地发展历史较长，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，用于发电地风力发电机都为水平轴，还没有商业化地垂直轴地风力发电机组. 资料个人收集整理，勿做商业用途 （）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直地风力发电机.垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机地优点在于；发电效率高，对风地转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗级台风），启动风速小维修保养简单. 垂直轴与水平式地风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式地要高，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地更加安全稳定；另外，国内外大量地案例证明，水平式地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.资料个人收集整理，勿做商业用途 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. 凡属轴流风扇地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地扇叶，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地疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂. 因此设计多为轴心不对称地奇数片扇叶设计.对于轴心不对称地奇数片扇叶，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地各种扇叶设计中.包括家庭使用地电风扇都是个叶片地，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样地叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理.所以绝大多数风扇都是三片叶地.三片叶有较好地动平衡，不易产生振荡，减少轴承地磨损.降低维修成本.资料个人收集整理，勿做商业用途 按照风机接受风地方向分类，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.资料个人收集整理，勿做商业用途 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地气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低.资料个人收集整理，勿做商业用途 ,按照风力发电机地输出容量可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级系列. （）小型风力发电机是指发电机容量为地风力发电机. （）中型风力发电机是指发电机容量为地风力发电机. （）大型风力发电机是指发电机容量为地风力发电机. 兆瓦级风力发电机是指发电机容量为以上地风力发电机. ,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. （）定桨距失速型风机；桨叶于轮毂固定连接，桨叶地迎风角度不随风速而变化.依靠桨叶地气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片地失速特性保持输入功率基本恒定.资料个人收集整理，勿做商业用途 （）变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内.资料个人收集整理，勿做商业用途 （）主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加资料个人收集整理，勿做商业用途 （）独立变桨控制风力机：由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨，叶片运行在不同地位置，受力状况也是不同地故叶片中立对风轮力矩地影响也是不可忽略地.通过对三个叶片进行独立地控制，可以大大减小风力机叶片负载地波动及转矩地波动，进而减小传动机构与齿轮箱地疲劳度，减小塔架地震动，输出功率基本恒定在额定功率附近.资料个人收集整理，勿做商业用途

风力发电机设计与制造课程设计

一．总体参数设计 总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =3.5MW ；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 12m/s （对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW ）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,V r =1.70V ave =1.70×7.0≈12m/s ） 3. 重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中： P r ——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW ； 错误！未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误！未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。 由直径计算可得扫掠面积： 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822 m

4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )()()(△ t P t P t P s t a t += )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误！未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； 错误！未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。

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。 [0011] 可选地，若所述下表面为曲面，则所述曲面分别是由含有横向圆弧弧线和纵向圆弧弧线交织扫描而形成的；以所述叶轮的圆心为参照点，所述横向圆弧弧线是以所述叶轮的圆心为圆心，在所述下前缘线和所述后缘部之间作的多条密集的横向圆弧弧线，所述纵

风力发电机变桨系统

风力发电机变桨系统 摘要：变浆系统是风力发电机的重要组成部分，本文围绕风力发电机变浆系统的构成、作用、控制逻辑、保护种类和常见故障分析等进行论述。 关键词：变桨系统；构成；作用；保护种类；故障分析 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成

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

风力发电机叶片设计

风力发电机叶片的设计 经济、能源与环境的协调发展是实现国家现代化目标的必要条件。随着全球气候变暖与化石能源的不断消耗及其对环境的影响问题，其他能源的开发越来越受到重视，如核能、地热能、风能、水能等新能源及生物质能、氢能的二次能源的开发应用也日益发展起来。而在这些新兴的能源种类中，核能的核废料处理相当困难，并且其日污染相比火电厂更为严重，同时需要相当严密的监管控制能力以防止其泄露而产生不可估量的破坏，国际上这些例子也是相当多的。而地热能的开发势必要依赖与高科技，在当今对地热开发利用还不完善的现状下，更是难以做到，并且其开发对地表的影响也相当大。而风能则作为太阳能的转换形式之一，它是取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不产生任何有害气体和废料，不污染环境。海上，陆地可利用开发的可达2×1010kW，远远高于地球水能的利用，风能的发展潜力巨大，前景广阔。 自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都在加紧对风能的开发和利用，减少二氧化碳等温室气体的排放，保护人类赖以生存的地球。风力发电技术相对太阳能、生物质等可再生能源技术更为方便，成本更低，对环境破环更小，作为清洁能源的主要利用方式而飞速发展，且日益规模化。一、叶片设计的意义 在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率，直接影响其年发电量，是风能利用的重要一环。本文主要是设计气动性能较好的翼型与叶片并进行气动分析。而翼型作为叶片的气动外形，直接影响叶片对风能的利用率。现在翼型的选择有很多种，FFA-W系列翼型的优点是在设计工况下具有较高的升力系数和升阻比，并且在非设计工况下具有良好的失速性能。叶片的气动设计方法主要有依据贝茨理论的简化设计方法，葛老渥方法与维尔森方法。简化的设计方法未考虑涡流损失等因素的影响，一般只用于初步的气动方案的设计过程；葛老渥方法则忽略了叶尖损失与升阻比对叶片性能的影响，同时在非设计状态下的气动性能也并未考虑；维尔森方法则较为全面是现今常用的叶片气动外形设计方法。本文通过相关的叶片设计理论结合相关软件来设计并简单的优化叶片。 叶片设计的要求不仅需要参考和选用设计标准，还应考虑风电机组的具体安装和使用情况。叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具体的技术要求，通过系统的启动设计和结构设计，实现设计目标。一般而论叶片设计可分为空气动力学设计阶段和结构设计阶段。启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；结构设计阶段需要通过选择分析选择叶片材料、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