【正文】 較好大國中， 2020 年底德國風力發(fā)電量占總發(fā)電量的 %，西班牙為 %，屬于歐洲較高水平，而美國的風電覆蓋率僅有 %。自 2020 年以來，我國風電產業(yè)開始駛入發(fā)展的快車道，到 2020 年，已建有 40 個風力發(fā)電站，發(fā)電量達到 萬千瓦，其中以新疆的達坂城發(fā)電站規(guī)模最大。此外還將陸續(xù)出臺各項可再生能源管理和實施辦法，為風電等各種新能源提供良好的政策保障。 3)風電機組發(fā)電機驅動方式多樣化，主要有雙饋式、直驅式和混合式。 葉片技術現(xiàn)狀 風力發(fā)電機裝機容量不斷增長的大趨勢要求單機容量越來越大，隨著風電機組向大型化發(fā)展，葉片長度也不斷增加。然而，這樣大的尺寸還不是極限。 l)翼型選擇 共 37 頁 第 5 頁 風力機葉片翼型的性能直接影響風能轉換的效率，傳統(tǒng)的風力機葉片翼型一般沿用航空低速葉片翼型，但是相較于風力發(fā)電機的特殊性以及粉塵污染、風蝕的工作環(huán)境，航空低速葉片不能滿足 風電需求。荷蘭 DU系列，具有限制的上表面厚度，低的粗糙度。一般情況下， 22m 以下的葉片采用玻璃纖維，大于 42m的葉片采用碳纖維或碳玻混雜纖維，如 NEGMicon 長葉片， 長葉片都在高應力區(qū)使用了碳纖維。美國 zoltek 公司生產的隊 NEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，使葉片質量減輕 40%，成本降低 14%，并使整個風力發(fā)電裝置成本降低 45%。 FRP 葉片的成型工藝大致有 :手糊工藝、真空輔助注射、樹脂傳遞模塑 (RTM)、 SCRIMp 浸漬工藝、纖維纏繞藝 (Fw)、纖維鋪放工藝 (FP)、木纖維環(huán)氧飽和工藝 (wEsT)、模壓工藝，這些方法各有側重。該法是目前世界上公認的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應用廣泛，并衍生出多種方法，主要有生產大型葉片用的 VARTM 和 SCRIMP 法。上海玻璃鋼研究院在研制 IMW 風力機葉片時采用該工藝，通過多次試驗，摸索解決了布管方式、真空度控制、樹脂選擇、鋪層皺折等一系列技術問題，使葉片成型工藝技術水平得到大幅提高。 綜上所述，葉片制造工藝正在向著多樣化、綜合化的方向發(fā)展，除以上介紹的工藝方法外，還有熱融性環(huán)氧預浸料、硬質泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術等。為有效提高比強度并降低成本，葉片的研究重點集中在葉片翼型設計上。如根據(jù)遺傳、數(shù)值等迭代算法，利用已知條件，通過迭代過程逐漸接近設計目標。葉片長度決定了風力機能從風中獲取多少能量，這是因為它影響著葉輪的掃掠面積。四位數(shù)字的含義是：第一位數(shù)字 4表示翼型的最大相對彎度（拱度）為 4﹪；第二個數(shù)字 4 表示翼型最大厚度處離前緣的距離為弦長的 4/10，即 4/10l；后兩位數(shù)字表示最大相對厚度的百分數(shù)，即 6﹪～ 15﹪。通常情況下，有以下三種建模方法 [11]: :即采用三維 CAD 建模軟件創(chuàng)建模型，轉換格式后導入 ANSYS 軟件進行分析，其優(yōu)點是基于 CAD 軟件強大的建模功能使得建模簡便可行，尤其是對于外形結構復雜的分析對象，相比于在 ANSYS 中建模節(jié)省大量的時間 。優(yōu)點只針對簡單零件而言，計算量小、對機器配置要求不高 。 根據(jù)自身的情況，考慮到葉片形狀特點：翼型是沿葉片伸 展方向上某一位面的輪廓線，且在連接處跟尾部都有過渡部分，本文采用 Pro/e 進行三維建模再導入到 ansys 中[12]。葉片通常由翼型系列組成。常用的翼型有 NACA44xx 系列、NACA644xx 系列和 NACA230xx 系列等航空翼型；專用翼型有美國的 SERI 翼型系列以及 NREL 翼型系列、丹麥的 RISφ — A 系列翼型和瑞典的 FFA— W 系列翼型族。導出如圖所示 21 所示。,39。具體可按下述步驟來實現(xiàn) :首先獲得翼型剖面曲線坐標? ?00,yx ，再轉化為以氣動中心為坐標原點的平面坐標 ? ?11,yx ，最后經過平移、旋轉至相應的三維空間坐標 (x， y， z)。 繪制各葉素輪廓線。如圖 22. 圖 22 葉素翼型曲線形成 重復上述過程，計算 18 個截面各點的空間坐標，導入 pro/e，畫出各截面的翼型曲線。 在 pro/e 中通過各個葉素的樣條曲線，創(chuàng)建整個葉片的自由扭曲的曲面形狀。根據(jù)展弦比的不同，可把機翼分為兩種：一為有限展翼比機翼，或稱有限翼展機翼，如圖 31(a)所示；另一種為無限展弦比機翼，或稱無限翼展機翼，其翼展長度為無限大，如圖 31(b)所示。 1） 翼弦長度 連接翼型前、后緣點的直線長度稱為翼型長度。 4）翼型彎度 h 翼型骨線至翼弦的距離，稱為翼型彎度或翼型拱度。本文所要研究的作用在風力機上的載荷主要包括：空氣動力載荷（升力和阻力）、重力載荷、慣性力載荷、葉片上的載荷 [16]。具體計算公式如下 : 升力： AwCFLx 22?? ? （ 31） 阻力： AwCFDy 22?? ? （ 32） 式中： LC 翼型升力系數(shù)； DC 翼型阻力系數(shù)； ?w 不受外界因素影響的液流相對速度的幾何平均值； A翼型的最大投影面面積； ? 空氣密度，本文取 3mkg 葉片在轉動過程中始終承受著重力載荷的作用，在模型中將重力載荷加載在 Y方向。 周向氣動力： ? ?2221112 ??? uauau VVVVzg RP ?? （ 36） 60nDV iiu ?? i=1， 2， 3? .. （ 37） iuV 葉輪葉片進口邊的圓周速度； iD 葉輪葉片進出口邊的直徑； n轉速 minr ， 1D ,n 已知； 21,?? 進出口氣體重度； 21,PP 進出口氣體壓力； a軸向坐標； u軸向坐標 ? ?21021 RRPM uai ?? ? ?2021 iaui RRPM ?? 坐標變換：將彎矩投影到葉片界面的主 慣性軸η，ζ上 iaiiiai MMM ??? s inc o s ?? （ 38a） iaiiuii MMM ??? c o ss in ?? （ 38b） 共 37 頁 第 19 頁 式中：α是η與 X 軸的夾角 氣動彎曲應力： ? ? ? ? ? ?i ,ii i,i,M???? ??? JJM CBACBACBA ?氣彎 （ 39） 式中 J 為慣性矩。 （ 311b） 式中： a—— 軸向坐標； u—— 周向坐標 坐標變換： iaiiuii MMM ??? s inc o s 39。39。 GUI 命令為“ Preprocessor— Material Props— Material Model” 定義材料性能參數(shù)，楊氏彈性模量 E= 2mN 泊松比μ = ， 密 度 mkg?? 網格劃分 劃分網格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，劃分網格的形式和大小直接影響到計算精度和計算規(guī)模 [18]。 GUI 命令為“ Preprocessor— Meshing— Meshing Tool”進行網格劃分，劃分網格后如圖 34所示： 共 37 頁 第 21 頁 圖 34 葉片網格劃分 定義約束 在有限元分析中載荷包括內外環(huán)境對物體的作用和邊界條件，包括自由度、集中載荷、面載荷、體載荷和慣性載荷。同時，結構靜力分析還包括計算那些固定不變的慣性載荷以及那些近似等價為靜力 作用的隨時間變化的載荷對結構的影響。 表 31風機葉片所受的簡化集中力載荷和彎矩載荷 共 37 頁 第 23 頁 模型中將升力載荷加在 X 方向，將阻力載荷與重力載荷加在 Y 方向，將慣性載荷加在 Z方向。 GUI 命令為“ Soiution— Slove— Current LS”。從圖中可以看出，工況下 X方向的最大位移發(fā)生在葉尖處，其值為 mEX a x, ??? ，最小位移發(fā)生在葉根處，其值為mEX a x, ???? X方向應力圖如圖 39 所示。從圖上可以看出， Y方向最大應變及最小應變在葉根處某一截面的不同側上，其值分別為 a x, ?? EY? ， 091 3 in, ??? EY? 共 37 頁 第 30 頁 圖 314 Z 方向位移圖 圖 315 Z 方向應力圖 共 37 頁 第 31 頁 圖 316 Z 方向應變圖 Z 方向位移圖如 314 圖示。因此，在優(yōu)化時應從以下方面著手 [20]： 1）翼型。 共 37 頁 第 32 頁 3）加載方式。 共 37 頁 第 33 頁 本文以風機葉片為研究對象，采用 NACA 系列翼型，在葉片的數(shù)據(jù)采集、三維建模和強度分析等方面進行了研究，主要工作及結論如下 : ，系統(tǒng)地介紹了風機葉片的幾種葉展形狀設計模型，并采用了 NACA4412 翼型，使用 Profili 軟件采集葉素數(shù)據(jù)，得到可用于三維建模的數(shù)據(jù)序列。風力發(fā)電的主要課題之一就是風機葉片的結構設計及優(yōu)化。老師嚴謹?shù)闹螌W嚴謹、知識淵博、刻苦鉆研的精神，給我留下了深刻的印象并使我終生受益。 [11]朱蕾 . 復合材料風力發(fā)電機葉片結構優(yōu)化設計 [D]. 哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文 ,2020,7 [12]李成良 . 風機葉片結構分析與優(yōu)化設計 [D]. 武漢理工大學碩士論文， 2020,11 [13]賈玉梅 . 風力發(fā)電機葉輪葉片新技術的發(fā)展 [J]. 《新技術新工藝》 . 數(shù)字技術與機械加工工藝裝備 . 2020， 10： 4345 [14]張曉明 . 風力發(fā)電復合材料葉片的現(xiàn)狀與未來 [J]. 纖維復合材料 2020 ， 60(2)： 6063 [15]李成良，王繼輝，薛忠民，李軍向 . 基于 ANSYS的大型風機葉片建模研究 [D]. 2020， 2：5255 [16]丁毓峰 . ANSYS 有限元分析完全手冊 . 北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020 [17]薛風先，胡仁喜，康士廷 . .北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [18]張洪信，趙清海 .ANSYS有限元分析完全自學手冊 .北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [19]任臘春 .風力機風輪葉片結構設計與分析 [D].碩士學位論文 :西華大學， 2020 [20]黃曉東，孫正軍，江澤慧 . 風機葉片的發(fā)展概況和趨勢 [J]. 太陽能學報 . 2020， 4： 3739 [21]王琪，周蘭影，盧穎 . 空間葉片的強度校核與分析 [J]. 吉林農業(yè)大學學報 2020， 23(4)：105107