【正文】 共 37 頁 第 2 頁 發(fā)利用己受到世界各國的高度重視。 結(jié)合現(xiàn)有幾種風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)模型，采用了 NACA4412 翼型，基于葉片翼型計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行了葉片截面離散點(diǎn)坐標(biāo)變換，并用三維造型軟件 Pro/e 對葉片進(jìn)行了三維建模，為后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。 本學(xué)位論文屬于 保密 □，在 _________年解密后適用本授權(quán)書。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 不保密 □。 關(guān)鍵詞 ：風(fēng)機(jī)葉片；翼型；強(qiáng)度， Pro/e； Abstract:As the environment problem being increasingly seriously, and energy supply more tense, countries all over the world have put more emphasis on exploitation of renewable energy， especially wind energy. This paper first discusses the advantages of the wind power generation and the development of wind power generation industry in China, then the following have been studied profoundly bined with the blade structure and working condition. Firstly with the existing types of fan blade design model, using a NACA4412 airfoil， with the help of 3D modeling software and coordinate transformation, a threedimensional model of blade was built up through Pro/e, based on the coordinates of blade sections. This laid a foundation for farther dynamic analysis. Secondly by using the ANSYS finite element analysis software for strength analysis of the fan blades to get the stress, strain cloud pictures provide a theoretical basis for optimization design. 前言 能源和環(huán)境是當(dāng)今人類社會(huì)生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。據(jù)估計(jì)，地球上所接收到的太陽輻射能大約有 2%轉(zhuǎn)換成風(fēng)能，裝機(jī)容量可達(dá) 10TW，每年可發(fā)出電力 [1]。并且在風(fēng)電場運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制 [2]。隨著聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高 速發(fā)展時(shí)期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用時(shí)某些性能已達(dá)不到要求，于是具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片發(fā)展起來。 共 37 頁 第 3 頁 與核能、太陽能、生物質(zhì)等各類新能源相比較，風(fēng)力發(fā)電具備技術(shù)相對成熟，大規(guī)模開發(fā)門檻低、成本相對偏下等特點(diǎn)，在市場上具有一定的競爭力，受到普遍重視，成為行之有效的解決能源和環(huán)境問題的重要措施之一 [4]。據(jù)國際能源署公布的預(yù)測資料，到 2020年全世界風(fēng)力發(fā)電容量將達(dá)到 ，是 2020年世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的 倍。 2020 年全球風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的營業(yè)額達(dá) 500 億歐元，共雇員 55 萬人，預(yù)計(jì)在 2020 年風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將首次提供 100 萬個(gè)工作崗位 。以歐洲為例，計(jì)劃到 2020 年實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電占總發(fā)電量的 12%，而目前各國風(fēng)電覆蓋率水平較低，全球平均風(fēng)力發(fā)電量僅占總發(fā)電量的 %，要實(shí)現(xiàn) 12%的目標(biāo)，還需增長近十倍。 中國由于其龐大的消費(fèi)人口以及近 20 年經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展己成為世界第二大能源消費(fèi)國，面臨著嚴(yán)重的能源問題，電力持續(xù)短缺便是其主要問題之一，因此新能源發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)與發(fā)展迫在眉捷。近幾年，為滿足我國持續(xù)持續(xù)增長的經(jīng)濟(jì)要求，國家發(fā)改革委制定了中長期能源戰(zhàn)略規(guī)劃，力爭到 2020 年，使風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 3000 萬 kw，相當(dāng)于替代了 2200 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)使我國的風(fēng)電設(shè)計(jì)、制造和管理技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。 2)風(fēng)電機(jī)組通過不同的調(diào)節(jié)方式提高風(fēng)電效率，目前比較普遍的是定槳距失速調(diào)節(jié)和變速變槳距調(diào)節(jié) 。 4)海上風(fēng)能資源豐富，因此海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)與發(fā)展將是一種必然趨勢。Enereon的 6MW渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑 127m，葉片長度 58m。目前對于葉片的研究集中在翼型、結(jié)構(gòu)、材料和工藝制造方面 [6]。瑞典 FFA 一 W 系列，具有較高最大升力系數(shù)和升阻比 。鑒于此，復(fù)合材料以其材料輕，剛度好，抗疲勞性好，抗腐蝕性強(qiáng)，易于處理等特點(diǎn)成為風(fēng)電葉片使用最普遍的材料。碳纖 維增強(qiáng)材料的拉伸模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的 2 一 3 倍，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于玻璃纖維。 3)制造工藝研究 大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用組裝方式制造，分別在兩個(gè)陰模上成型葉片蒙皮，分別在專用模具上成型主梁及其他玻璃鋼部件，然后在主模具上把兩個(gè)蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后形成整體葉片。樹脂傳遞模塑 (RTM):屬于最新發(fā)展的葉片成型方法，將纖維預(yù)成型體置于模腔中，注入樹脂后加溫成型。國外在成型大型玻璃鋼產(chǎn)品中有所應(yīng)用，在我國，由于受到市場、技術(shù)、材料、資金等方面的限制和影響，復(fù)合材料葉片制造廠家多采用濕法手糊工藝，該工藝己難以實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)葉片， VARTM 則是解決這一問題的新型工藝。由于葉片典型的非回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用該方法成本高，線性設(shè)計(jì)復(fù)雜，有待進(jìn)一步發(fā)展。葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能計(jì)算，根據(jù)風(fēng)力機(jī)總體性能要求確定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉片弦長、葉厚、扭角分布。 目前，國外有關(guān)葉片的相關(guān)研究主要集中在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的數(shù)值分析方法研究。 葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)主要零件，它把風(fēng)力機(jī)與其它機(jī)械區(qū)分開來，并作為風(fēng)力發(fā)機(jī)的“呼吸中心”起著重要作用。具體內(nèi)容如下： 在有限單元法的理論下，根據(jù)已有的葉片翼型，利用大型通用有限元軟件 ANSYS 建立葉片的有限元模型，采用殼體單元 SHELL63 對模型進(jìn)行離散化，對建好的有限元模型施加工況條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，施加氣動(dòng)力、慣性力和重力載荷對建 好的模型進(jìn)行加載對葉片模型 ansys 結(jié)果進(jìn)行分析！ 常用翼型介紹 目前在翼型設(shè)計(jì)制造和生活研究中，常采用以下幾種翼型： 1） NACA（ 4406～ 4415）翼型 這是美國航空咨詢委員會(huì)研制的翼型。 4） RAF— 6 翼型（英國翼型） 共 37 頁 第 8 頁 5）圓弧翼型 6） 791 翼型 在有限元分析中，分析對象幾何模型的好壞直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。 :該方法是利用有限元程序直接定義節(jié)點(diǎn)和單元，適用于小型或簡單模型的生成，并能夠?qū)缀涡螤罴懊總€(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào)完全控制。同時(shí)，能對生成的實(shí)體模型采用自適應(yīng)方式、自由網(wǎng)格、映射方法劃分網(wǎng)格，便于加載后進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化以及幾何上的改進(jìn)和優(yōu)化。一臺(tái)好的風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量增加升力而減小阻力，使之盡量趨于最大值，以增加風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù) [13]。典型運(yùn)行工況下的雷諾數(shù)范圍是 65 102102 ??? [14]。從 profili 軟件導(dǎo)出 NACA4412 的翼型數(shù)據(jù)。運(yùn)用齊次坐標(biāo)的方法，可將三維空間點(diǎn)的幾何變換表示為： ? ? ? ? Tzyxzyx ?? 1,1,39。 葉片截面坐標(biāo)變換 要進(jìn)行葉片三維造型，首先是對葉片的截面進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使葉片各剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的三維空間坐標(biāo)中去。 設(shè)氣動(dòng)中心的坐標(biāo)為 ? ?yx, 則以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)，弦線為 x軸的輪廓二維坐標(biāo)為 ? ?11,yx =? ?00,yx ? ?yx, 再結(jié)合實(shí)際弦長得實(shí)際葉素坐標(biāo) ? ?22,yx =? ?11,yx *L 經(jīng)旋轉(zhuǎn)，平移得三維空間的實(shí)際坐標(biāo)為 共 37 頁 第 12 頁 ?????????????????????????????????????????????rzxyyxyxyyxx??222222222222a r c t a ns ina r c t a nc o s 通過 EXCEL 可完成各翼型截面上所有離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表 22： 表 22 部分截面坐標(biāo)數(shù)據(jù) x y z 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 18000 pro/e 建模實(shí)現(xiàn) 通過上述過程獲得各葉素空間實(shí)際坐標(biāo) (x ， y ， z)，進(jìn)而可通過各種繪圖軟件直接繪制葉片。 在建模過程中執(zhí)行插入樣條曲線，選擇通過點(diǎn)形成，選擇從文件中的點(diǎn)，選中你剛 共 37 頁 第 13 頁 才保存的 ibl 文件，就畫出了該葉素的翼型曲線。如圖 24所示： 圖 24 葉根部分曲線 通過曲線創(chuàng)建葉片的自由曲面。如機(jī)翼的翼弦長度不是定值時(shí)，求展弦比可用翼弦長度的平均值。如圖 32所示。 3） 翼型中線 翼型上下表面之間表示翼型厚度各垂直線的中點(diǎn)連線，稱為翼型中線，或稱為翼型 骨線。 5）攻角 翼弦與來流方向的夾角 共 37 頁 第 17 頁 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中受力情況非常復(fù)雜，計(jì)算中通常只選取特定載荷計(jì)算，如氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性力載荷、脈沖力載荷等。 本文在加載過程中，我們考慮的空氣動(dòng)力主要有升力和阻力。 1）離心拉伸應(yīng)力 ? ? ?????? ??? ??? 1122 12i 411 iiiii FRRwF ??? 離 （ 33） 式中： ? 葉片密度； w 葉片旋轉(zhuǎn)角速度； R截面半 徑； F葉片截面面積 共 37 頁 第 18 頁 2）氣動(dòng)彎曲應(yīng)力 軸向氣動(dòng)力： ? ? ? ?? ?12212222 PPgVVzg RP aaa ???? ?? （ 34） iiCivTia bRqV ??2? i=1， 2.， 3?? （ 35） iaV 進(jìn)出口邊的軸面速度； vTq 理論流量； CiR 進(jìn)口邊處的軸面流體過斷面形成線的質(zhì)量中心半徑； 1b 上述形成線的長度； 1? 排擠系數(shù)， 1? =1112Rzsu? (z葉片數(shù)， 1us 圓周厚度，其中 vTq , 1CR ,1b ， z, 1us已知 )。