【正文】 。l)翼型選擇風(fēng)力機(jī)葉片翼型的性能直接影響風(fēng)能轉(zhuǎn)換的效率，傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片翼型一般沿用航空低速葉片翼型，但是相較于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特殊性以及粉塵污染、風(fēng)蝕的工作環(huán)境，航空低速葉片不能滿足風(fēng)電需求。丹麥RISO一A系列，能在接近失速時(shí)具有最大升阻比。荷蘭DU系列，具有限制的上表面厚度，低的粗糙度。據(jù)計(jì)算，葉片重量與風(fēng)輪半徑R近似成3次方關(guān)系。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?；祀s纖維，如NEGMicon ， 。既要減輕葉片質(zhì)量，又要滿足剛度與強(qiáng)度的要求，采用碳纖維增強(qiáng)材料是行之有效的途徑。美國(guó)zoltek公司生產(chǎn)的隊(duì)NEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，使葉片質(zhì)量減輕40%，成本降低14%，并使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置成本降低45%。目前世界上最大的碳纖維與玻璃纖維混雜增強(qiáng)材料風(fēng)機(jī)葉片是Nodex公司為海上風(fēng)電SMW機(jī)組研制的長(zhǎng)度為56m的葉片，此外還開(kāi)發(fā)了43m()的碳纖維/玻璃纖維風(fēng)機(jī)計(jì)卜片。FRP葉片的成型工藝大致有:手糊工藝、真空輔助注射、樹(shù)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(cè)重。干法成型屬于新興技術(shù)，先將纖維制成浸料，現(xiàn)場(chǎng)鋪放，加溫(或常溫)加壓固化，其生產(chǎn)效率高，由丹麥的Vestas公司首創(chuàng)并大量應(yīng)用。該法是目前世界上公認(rèn)的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，并衍生出多種方法，主要有生產(chǎn)大型葉片用的VARTM和SCRIMP法。應(yīng)用真空，以高滲透率介質(zhì)作引導(dǎo)將樹(shù)脂注入結(jié)構(gòu)鋪層中，多用于形狀復(fù)雜的大型制品。上海玻璃鋼研究院在研制IMW風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)采用該工藝，通過(guò)多次試驗(yàn)，摸索解決了布管方式、真空度控制、樹(shù)脂選擇、鋪層皺折等一系列技術(shù)問(wèn)題，使葉片成型工藝技術(shù)水平得到大幅提高。其技術(shù)參數(shù)主要涉及纖維張力控制、纏繞速率和纏繞角的控制等。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(yù)浸料、硬質(zhì)泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術(shù)等。 葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，它本身是一個(gè)氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)相互妥協(xié)的產(chǎn)物，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)是從最開(kāi)始的葉素功率輸出最大化到年輸出功率最大化再到現(xiàn)在的性價(jià)比最優(yōu)化。為有效提高比強(qiáng)度并降低成本，葉片的研究重點(diǎn)集中在葉片翼型設(shè)計(jì)上。LM公司研發(fā)部經(jīng)理Frank V. Nielsen認(rèn)為未來(lái)葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本(COE)最優(yōu)化，葉片將會(huì)更加細(xì)長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)將會(huì)降低葉片載荷，葉片質(zhì)量分布更加優(yōu)化，材料成本將會(huì)降低，產(chǎn)品質(zhì)量將更加得到保證[7]。如根據(jù)遺傳、數(shù)值等迭代算法，利用已知條件，通過(guò)迭代過(guò)程逐漸接近設(shè)計(jì)目標(biāo)。國(guó)內(nèi)有關(guān)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究主要是對(duì)己有葉片進(jìn)行仿真與數(shù)值分析，基本沒(méi)有提出實(shí)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校核方法，未能說(shuō)明葉片怎么樣從無(wú)到有的設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)尚缺乏有針對(duì)性的設(shè)計(jì)依據(jù)和準(zhǔn)則，對(duì)于與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的載荷等問(wèn)題也沒(méi)能給出明確且有意義的答案，其有限元數(shù)值分析方法也都是基于實(shí)際葉片測(cè)量數(shù)據(jù)[9]，基本沒(méi)有針對(duì)自主設(shè)計(jì)葉片的校核分析。葉片長(zhǎng)度決定了風(fēng)力機(jī)能從風(fēng)中獲取多少能量，這是因?yàn)樗绊懼~輪的掃掠面積。本課題采用NACA系列翼型研究葉片建模方法和控制參數(shù)的改變對(duì)葉片形狀的影響，采用ANSYS建模研究方法，研究葉片在各種工況下的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而優(yōu)化葉片參數(shù)達(dá)到優(yōu)化葉片模型的目的[10]。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(duì)彎度（拱度）為4﹪；第二個(gè)數(shù)字4表示翼型最大厚度處離前緣的距離為弦長(zhǎng)的4/10，即4/10l；后兩位數(shù)字表示最大相對(duì)厚度的百分?jǐn)?shù)，即6﹪～15﹪。3）ВИГМ 翼型這是前蘇聯(lián)水力機(jī)械研究所專門為水力機(jī)械研究的翼型。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(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，其優(yōu)點(diǎn)是基于CAD軟件強(qiáng)大的建模功能使得建模簡(jiǎn)便可行，尤其是對(duì)于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分析對(duì)象，相比于在ANSYS中建模節(jié)省大量的時(shí)間。并且?guī)缀谓Ｅc結(jié)構(gòu)分析過(guò)程難以一次完成，使得分析模型精度降低。優(yōu)點(diǎn)只針對(duì)簡(jiǎn)單零件而言，計(jì)算量小、對(duì)機(jī)器配置要求不高。:通過(guò)直接描述模型的幾何邊界、形狀和尺寸等特性來(lái)創(chuàng)建模型，在ANSYS軟件中通過(guò)創(chuàng)建點(diǎn)、線、面、體的方式生成實(shí)體模型，可采用自底向上、自頂向下或二者混合的方式建模，并且可利用布爾運(yùn)算、拖拉、旋轉(zhuǎn)、鏡像操作，大大減小工作量，提高效率。根據(jù)自身的情況，考慮到葉片形狀特點(diǎn)：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(guò)渡部分，本文采用Pro/e進(jìn)行三維建模再導(dǎo)入到ansys中[12]。風(fēng)力機(jī)葉展形狀、翼型形狀與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力特性密切相關(guān)。葉片通常由翼型系列組成。在尖部采用薄翼型以滿足高升阻比的要求；根部采用相同翼型或較大升力系數(shù)翼型的較厚形式，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要。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(guó)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。翼型數(shù)據(jù)及其氣動(dòng)性可參考 profili 軟件、中國(guó)氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的文獻(xiàn)等。導(dǎo)出如圖所示21 所示。翼型數(shù)據(jù)見(jiàn)表 21圖21 NACA4412翼型數(shù)據(jù)的導(dǎo)出表21 NACA4412翼型數(shù)據(jù)NACA 4412 基本原理圖形變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)組成圖形的各頂點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換[15]。要進(jìn)行葉片三維造型，首先是對(duì)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)葉片r=o的葉素平面為xy平面，葉展從葉根至葉尖方向定位z軸正向，三維空間原點(diǎn)設(shè)在r=o的葉素平面的氣動(dòng)中心處。設(shè)氣動(dòng)中心的坐標(biāo)為則以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)，弦線為x軸的輪廓二維坐標(biāo)為=再結(jié)合實(shí)際弦長(zhǎng)得實(shí)際葉素坐標(biāo)=*L經(jīng)旋轉(zhuǎn)，平移得三維空間的實(shí)際坐標(biāo)為通過(guò)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)通過(guò)上述過(guò)程獲得各葉素空間實(shí)際坐標(biāo)(x ，y ，z)，進(jìn)而可通過(guò)各種繪圖軟件直接繪制葉片。第一步：把一個(gè)葉素計(jì)算出的 x，y，z 坐標(biāo)數(shù)組，在 Excel 中的數(shù)據(jù)點(diǎn)排成 3 列。在建模過(guò)程中執(zhí)行插入樣條曲線，選擇通過(guò)點(diǎn)形成，選擇從文件中的點(diǎn)，選中你剛才保存的ibl文件，就畫出了該葉素的翼型曲線。如圖 23 所示：圖 23 各截面翼型曲線葉根部分考慮了安裝和結(jié)構(gòu)的過(guò)渡性,按結(jié)構(gòu)要求繪制，葉片根部各翼型力臂較小，對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪輸出扭矩貢獻(xiàn)不大，所以葉片根部對(duì)風(fēng)力機(jī)性能影響較小。如圖24所示：圖24 葉根部分曲線。如圖 25 所示:圖25 各葉素形成的曲面機(jī)的機(jī)翼、輪船的螺旋槳，以及軸流式壓縮機(jī)、水輪機(jī)、泵（風(fēng)機(jī)）的葉輪葉片等，其斷面形狀都是機(jī)翼形。如機(jī)翼的翼弦長(zhǎng)度不是定值時(shí)，求展弦比可用翼弦長(zhǎng)度的平均值。當(dāng)然翼展不可能無(wú)限長(zhǎng)，如果機(jī)翼的兩端是固體壁，例如軸流泵等的風(fēng)輪葉片，就可看作是無(wú)限翼展機(jī)翼。如圖 32所示。2） 翼型厚度 y 在垂直于翼弦方向上，翼型上下表面之間的各線段長(zhǎng)度，稱為翼型厚度，其中最大的厚度以表示，最大厚度與翼弦的比值/L稱為最大厚度。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。最大彎度與弦長(zhǎng)L的比值稱為最大相對(duì)彎度。5）攻角翼弦與來(lái)流方向的夾角由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)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。作用在葉片上的空氣動(dòng)力是風(fēng)力機(jī)最主要的動(dòng)力來(lái)源，也是各個(gè)零部件載荷的主要來(lái)源，其載荷主要包括揮舞方向和擺振方向的剪力與彎矩，以及變槳距時(shí)與變槳距力矩平衡的葉片俯仰力矩。本文在加載過(guò)程中，我們考慮的空氣動(dòng)力主要有升力和阻力。離心力載荷方向總是沿著葉片展向向外，在模型中將離心力載