畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）ddl型葉片結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目： DDL型葉片結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì) </p><p>　　DDL型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)</p><p>　　無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p

2、><b>　　誠(chéng) 信 承 諾 書</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） DDL型葉片結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)—DDL型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p><b

3、>　　無(wú)錫太湖學(xué)院</b></p><p>　　信 機(jī)　系 　機(jī)械工程及自動(dòng)化 　專業(yè)</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書</p><p><b>　　一、題目及專題：</b></p><p>　　1、題目　DDL型葉片結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)—DDL型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p>

4、<p>　　2、專題　 　</p><p>　　二、課題來(lái)源及選題依據(jù)</p><p>　　近年來(lái)，能源危機(jī)越來(lái)越引起人們的重視，能源短缺使得可再生能源得到空前發(fā)展，風(fēng)能作為取之不盡用之不竭的可再生能源在近幾年得到了空前發(fā)展，世界上不少國(guó)家都把開發(fā)風(fēng)能作為一項(xiàng)能源政策。我國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó)

5、，近年來(lái)因?yàn)檎闹С诛L(fēng)電行業(yè)得到迅速發(fā)展，但我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)與風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家比差距甚大，大功率的風(fēng)電設(shè)備技術(shù)基本依賴進(jìn)口，作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一的葉片也是如此，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到風(fēng)能轉(zhuǎn)換的效率。 </p><p>　　三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：</p><p>　?、?了解國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)展現(xiàn)狀及葉片制造技術(shù)發(fā)展； ② 了

6、解葉片空氣動(dòng)力學(xué)受力特點(diǎn)及一系列的載荷分析 </p><p>　　③ 熟練掌握制造葉片的各種材料的特性和優(yōu)異 </p><p>　?、?了解葉片與輪轂之間的各種配合關(guān)系 </p><p><b>　　四、接受任務(wù)學(xué)生：</b></p>

7、;<p>　　機(jī)械94 班 　　姓名 邵亦飛 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當(dāng)今世界，風(fēng)力發(fā)電已成為新能源主題之一。與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的發(fā)展也十分迅速。其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。葉片的翼型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式直接影響風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)

8、中最核心的部分，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中葉輪的最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，所以葉片設(shè)計(jì)的好壞，決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)劣。葉片也是受力最為復(fù)雜的部件。設(shè)計(jì)良好的葉片是風(fēng)力機(jī)獲得較高風(fēng)能利用系數(shù)和較大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。葉片作為接收風(fēng)能的主要部件,在整個(gè)風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中的地位尤顯重要,要求其具有合理的翼型設(shè)計(jì)。優(yōu)質(zhì)的材料和先進(jìn)的工藝,其設(shè)計(jì)!制造和性能成為了重點(diǎn)研究和大力發(fā)展的目標(biāo)"目前對(duì)于葉片的研究集中在翼型、結(jié)構(gòu)、材料和工藝制造方面。</p&g

9、t;<p>　　關(guān)鍵詞：葉片的發(fā)展；葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In today's world,wind power has become one of the.new energy。 theme. At the same time， the development of wind t

10、urbine blade is also very quickly. The good design， reliable quality and superior performance is to ensure that the determinants of the normal and stable operation of wind turbines. Airfoil design， blade structure direct

11、ly affect the performance and power of wind power generation device. The blade is the core part of the wind generator， is the most basic impeller in wind power generato</p><p>　　Key words：Blade；blade design&

12、lt;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要V</b></p><p>　　AbstractVI</p><p><b>　　目 錄VII</b></p><p><b>　　1 緒論1</

13、b></p><p>　　1.1課題來(lái)源與背景1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及前景1</p><p>　　1.2.1 國(guó)外風(fēng)機(jī)葉片情況1</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)葉片情況2</p><p>　　2 葉片的研究與設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 風(fēng)力機(jī)典

14、型結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2葉片載荷分析4</p><p>　　2.2.1載荷分類4</p><p>　　2.2.2載荷計(jì)算的坐標(biāo)系4</p><p>　　2.2.3氣動(dòng)載荷（記作s）6</p><p>　　2.2.4重力載荷（記作u）7</p><p>　　2.2.5離心力

15、載荷（記作v）8</p><p>　　2.3使用載荷和設(shè)計(jì)載荷8</p><p>　　2.4葉片材料的選擇9</p><p>　　3 葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 葉片剖面結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2葉片鋪層設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1鋪

16、層設(shè)計(jì)原則14</p><p>　　3.2.2鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程15</p><p>　　3.3葉片強(qiáng)度和變形設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.3.1葉片的應(yīng)力計(jì)算15</p><p>　　3.3.2葉片的變形計(jì)算16</p><p>　　3.4 葉片根端連接設(shè)計(jì)17</p><p>　　

17、3.5葉片頻率的計(jì)算18</p><p>　　3.6葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算例19</p><p>　　3.6.1葉片氣動(dòng)外形參數(shù)19</p><p>　　3.6.2葉片材料選擇20</p><p>　　3.6.3葉片結(jié)構(gòu)形式20</p><p>　　4 葉片結(jié)構(gòu)介紹23</p><p>　　

18、4.1 葉身的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2 葉根的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3 葉片剖面的形狀24</p><p>　　4.4 葉根與輪槽配合圖24</p><p>　　5 結(jié)論與展望26</p><p><b>　　5.1結(jié)論26</b></p><

19、;p><b>　　5.2 展望26</b></p><p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1課題來(lái)源與背景</p>

20、;<p>　　發(fā)展可再生能源是當(dāng)前世界一個(gè)共同的趨勢(shì)，可再生能源是對(duì)氣候變化和解決世界能源問題的重要技術(shù)手段。風(fēng)力發(fā)電是一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，盡管當(dāng)前與常規(guī)火電相比有產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，一次性投資大等不利因素，但風(fēng)力發(fā)電對(duì)改善環(huán)境，減少污染物排放，優(yōu)化資源配置，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)有著不可估量的作用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)是保證可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略措施。在中國(guó)的新能源開發(fā)利用中，風(fēng)力發(fā)電最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景，會(huì)成為將來(lái)中國(guó)一大業(yè)。

21、 </p><p>　　風(fēng)電是世界上增長(zhǎng)最快的能源，裝機(jī)容量每年增長(zhǎng)超過(guò)30%。到2003年初，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3200萬(wàn)千瓦，亦即其總量己經(jīng)相當(dāng)于32座標(biāo)準(zhǔn)的核電站，足以供應(yīng)1600萬(wàn)歐洲普通家庭或4000萬(wàn)歐洲居民的電力需求。2005年2月旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的5京都議定書6[21也己正式生效，這對(duì)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展無(wú)疑會(huì)帶來(lái)十分積極的影響。我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造

22、進(jìn)步較快，國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)中某公司己經(jīng)形成了600千瓦、750千瓦、1.2兆瓦系列化產(chǎn)品，技術(shù)水平均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，所有機(jī)組均獲得德國(guó)勞埃德認(rèn)證，機(jī)組最高國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)90%，其中1.2兆瓦機(jī)組技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。</p><p>　　近年來(lái)，工程設(shè)計(jì)師們都傾向于把結(jié)構(gòu)材料利用到極限，使得各種結(jié)構(gòu)越來(lái)越輕巧，以增加有效載荷，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。但這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)的撓性就增大，氣流誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)就嚴(yán)重了。隨著科學(xué)技

23、術(shù)的普遍發(fā)展，飛行器的速度及其動(dòng)力機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)的速度越來(lái)越快，地面建筑結(jié)構(gòu)越來(lái)越高，橋梁跨度也越來(lái)越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片越來(lái)越長(zhǎng)，在空氣動(dòng)力作用下這些薄壁件都是很好的彈性體，極易變形而出現(xiàn)顫振。即結(jié)構(gòu)與氣流藕合振動(dòng)問題的嚴(yán)重性在不斷增長(zhǎng)。</p><p>　　從國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)際來(lái)看，由于設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)力學(xué)問題研究不夠，造成風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，甚至失效和毀損的例子屢見不鮮。從我國(guó)內(nèi)蒙、江蘇等地風(fēng)機(jī)的使用情況看，有許多

24、未經(jīng)嚴(yán)格氣動(dòng)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)分析的風(fēng)機(jī)，在運(yùn)行中發(fā)生損毀的例子，有些樣機(jī)在試運(yùn)行期間問題就層出不窮，還沒有投產(chǎn)就被迫中途停產(chǎn)，這些問題不解決，不但會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)的推廣和應(yīng)用。</p><p>　　我國(guó)的制造水平和發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，由于前期的基礎(chǔ)研究跟不上，其中有很多沒經(jīng)過(guò)氣動(dòng)試驗(yàn)的葉片也在運(yùn)行，葉片斷裂時(shí)有發(fā)生，這些都嚴(yán)重阻礙了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，所以要進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使葉片

25、本身具有很好的剛度和強(qiáng)度。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及前景</p><p>　　1.2.1 國(guó)外風(fēng)機(jī)葉片情況</p><p>　　在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，復(fù)合材料部件主要有：葉片，機(jī)艙罩，導(dǎo)流罩等，其中用量最大的就是葉片。風(fēng)機(jī)葉片具有尺寸大，外形復(fù)雜，精度要求高，對(duì)強(qiáng)度和剛度要求高，表面粗糙度要求高，要求質(zhì)量分布均勻性好等特點(diǎn)。是整個(gè)風(fēng)機(jī)的最核心部分，占整個(gè)風(fēng)

26、電機(jī)組成本的1/4到1/3。國(guó)外葉片研制向大型化，低成本、高性能、輕量化發(fā)展，丹麥某公司現(xiàn)己開發(fā)54m的全玻纖葉片，其單位KW小時(shí)成本很低，同時(shí)開發(fā)橫梁和端部使用少量碳纖維的61m大型葉片，以開發(fā)SMW風(fēng)機(jī)。德國(guó)某公司則開發(fā)56m長(zhǎng)的碳纖維葉片，他們認(rèn)為當(dāng)葉片尺寸大到一定程度時(shí)，由于使用碳纖，材料用量的減少，可以使其成本不高于玻纖復(fù)合材料[4]；該公司現(xiàn)己開發(fā)的44m葉片僅重9.6t。其中丹麥的某企業(yè)葉片占世界葉片市場(chǎng)的很大份額，有完整

27、的葉片研發(fā)、制造、試驗(yàn)、分析方案和設(shè)施，具有豐富的葉片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。隨著葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)和海上風(fēng)電的發(fā)展，葉片將遇到更復(fù)雜的氣動(dòng)力。進(jìn)一步增加了由于氣動(dòng)力而導(dǎo)致破壞的危險(xiǎn)。</p><p>　　國(guó)外機(jī)組葉片大舉進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，以2004年中國(guó)市場(chǎng)情況為例，國(guó)外機(jī)組占到市場(chǎng)份額的75%，國(guó)內(nèi)最大的某風(fēng)機(jī)制造企業(yè)占到20%；國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)制造企業(yè)所用的葉片主要依靠進(jìn)口和外資企業(yè)生產(chǎn)；只20%葉片由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)；丹麥的世界最大的葉片制造

28、商于2001年在天津己經(jīng)建立獨(dú)資企業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)片；其它各國(guó)的風(fēng)力行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)也陸續(xù)要在天津投資建立葉片制造廠、總裝廠。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，葉片的好壞自接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率、壽命和性能。而葉片的研制、生產(chǎn)涉及到多個(gè)學(xué)科，是高科技產(chǎn)品。由于國(guó)內(nèi)缺乏制造大型風(fēng)機(jī)葉片的技術(shù)基礎(chǔ)，因此/九五0以前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電葉片幾乎全部依賴進(jìn)口。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)葉片情況</p&g

29、t;<p>　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)缺乏復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)的專業(yè)人才而國(guó)外己有20余年的設(shè)計(jì)制造歷史，數(shù)十名一流的專業(yè)設(shè)計(jì)師集中在幾個(gè)設(shè)計(jì)公司和制造企業(yè)，在葉片設(shè)計(jì)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；國(guó)外有專門的設(shè)計(jì)公司，開發(fā)出10余種專業(yè)軟支持葉片設(shè)計(jì)，提高了效率和可靠性[5]。在葉片的制造工藝方面[6]，我國(guó)目前能實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)的只有采用手糊工藝制造的葉片，而對(duì)于先進(jìn)的制造技術(shù)如預(yù)浸料、RIM等工藝正處于試驗(yàn)階段；而國(guó)外己經(jīng)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)

30、用，很多企業(yè)采用RIM工藝制造大型葉片和預(yù)浸料工藝制造葉片。</p><p>　　2 葉片的研究與設(shè)計(jì)</p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容十分廣泛，需要滿足一些要求，而優(yōu)良的葉片設(shè)計(jì)就是在這些要求中找到一個(gè)最優(yōu)的組合[16]。這些要求可歸結(jié)為：</p><p>　　(1)對(duì)于給定的風(fēng)速分布，能夠獲得最大的年能量產(chǎn)值；</p><p>

31、　　(2)當(dāng)風(fēng)力機(jī)為失速型風(fēng)力機(jī)時(shí)，應(yīng)該能限制它的最大功率輸出，以致風(fēng)力機(jī)能正常運(yùn)行；</p><p>　　(3)能夠承受極端載荷和疲勞載荷；</p><p>　　(4)對(duì)于上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，應(yīng)該避免葉尖變形過(guò)大而致使葉片和塔架發(fā)生碰撞；</p><p>　　(5)應(yīng)當(dāng)避免葉片和塔架發(fā)生共振；</p><p>　　(6)應(yīng)當(dāng)使得葉片的重量和成本在

32、允許條件下達(dá)到最小。</p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)一般包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括確定葉片長(zhǎng)度、翼型系列、弦長(zhǎng)、扭角和厚度分布等幾何參數(shù)，主要用來(lái)滿足(1)和(2)的要求。葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括葉片材料的選擇、剖面形式和翼梁的設(shè)計(jì)，主要用來(lái)滿足(4)和(6)的要求。一般來(lái)講，氣動(dòng)設(shè)計(jì)決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在氣動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但是風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不是完全被動(dòng)的，它從結(jié)構(gòu)角度提出修改意見，甚至改

33、變某些斷面形式以求得最佳氣動(dòng)效果和最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 風(fēng)力機(jī)典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括兩大部分：風(fēng)力機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 風(fēng)力機(jī)的分類方法有很多：按照收集風(fēng)能的結(jié)構(gòu)形式及在空間的布置，分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)；按塔架位置，分為上風(fēng)式和下風(fēng)式；按葉片數(shù)量，分為單葉式、雙葉式、三葉式、四葉式

34、和多葉片式；按葉片形分為螺旋槳式、H型。；按風(fēng)力機(jī)容量，分為微型(1kW以下）、小型（1-10kw）中型（10-100kw）和大型（100kw以上），其中1000kw到2000kw以下稱為兆瓦級(jí)，2000kw及以上又稱為多兆瓦級(jí)。</p><p><b>　?。?）水平軸風(fēng)力機(jī)</b></p><p>　　水平軸風(fēng)力機(jī)是指風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面夾角不大于15。的風(fēng)

35、力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)有傳統(tǒng)風(fēng)車、低速風(fēng)力機(jī)和高速風(fēng)力機(jī)等三大類型。傳統(tǒng)風(fēng)車歷史悠久，結(jié)構(gòu)原始，現(xiàn)在遺留下來(lái)一些，除經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)還保留作提水、碾米、磨面等用途外，在發(fā)達(dá)國(guó)家主要作為人類文化遺產(chǎn)而精心保存。低速風(fēng)力機(jī)在美洲及歐洲尚有部分存在，其風(fēng)輪有葉片有12~24片，幾乎覆蓋了整個(gè)旋轉(zhuǎn)平面，風(fēng)輪后面有保持迎風(fēng)位置作用的尾翼。這種風(fēng)力機(jī)的最大直徑約為5~sm，美國(guó)曾制造過(guò)直徑達(dá)15m的低速風(fēng)車，這種風(fēng)車適用于在低風(fēng)速地區(qū)，當(dāng)風(fēng)速為2~3耐s

36、時(shí)就可以轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)力矩相對(duì)較高。</p><p>　　高速風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片僅2~4片，與低速風(fēng)力機(jī)相比，高速風(fēng)力機(jī)有重量輕，能承受的離心力大，轉(zhuǎn)速高，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。不足之處就是啟動(dòng)困難，如沒有其他輔助設(shè)施，風(fēng)速需達(dá)到5耐s方能轉(zhuǎn)動(dòng)。由于高速風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速高，葉尖速比可達(dá)到10，在相同直徑時(shí)，扭矩也較低，因而它非常適合風(fēng)力發(fā)電，其風(fēng)輪軸還可以通過(guò)變速齒輪箱與發(fā)電機(jī)匹配。為盡可能好地利用自然風(fēng)，這種風(fēng)輪可用尾舵或自動(dòng)調(diào)向裝

37、置自動(dòng)調(diào)整風(fēng)輪正面面迎風(fēng)。</p><p><b>　?。?）垂直軸風(fēng)力機(jī)</b></p><p>　　垂直軸風(fēng)力機(jī)是指風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面垂直的風(fēng)力機(jī)。垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)向改變時(shí)無(wú)需對(duì)風(fēng)，這是相對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且還減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。這類風(fēng)力機(jī)的形式較多，如S型、H型、達(dá)里厄型等。這類風(fēng)力機(jī)有許多特點(diǎn)，如增速器、聯(lián)軸器、發(fā)

38、電機(jī)等可安裝在地面上，安裝維修方便，不用調(diào)向，葉片制造簡(jiǎn)單等，研究日趨增多，各種形式不斷出現(xiàn)。</p><p><b>　　2.2葉片載荷分析</b></p><p><b>　　2.2.1載荷分類</b></p><p>　　在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)中必須對(duì)其運(yùn)行時(shí)所處的環(huán)境和各種運(yùn)行條件所產(chǎn)生的各種載荷進(jìn)行精確地分析與計(jì)算。其目

39、的是為了對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析(包括靜強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析以及壽命計(jì)算，確保風(fēng)力機(jī)在其設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)能夠正常地運(yùn)行。該項(xiàng)工作是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作。所有后續(xù)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)工作都是以載荷計(jì)算為基石出。由于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的外界環(huán)境下，并且它有不同的運(yùn)行狀態(tài)，所承受的載荷很多。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)作用在風(fēng)力機(jī)上的載荷進(jìn)行分類。</p><p>　　(l)根據(jù)載荷的來(lái)源，可以分為氣動(dòng)載荷、重

40、力載荷、慣性載荷(包括離心力、陀螺載荷)、功能載荷(包括剎車、偏航、葉片變槳距控制以及發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)等產(chǎn)生的載荷)和其他載荷(塔影、流過(guò)塔架的旋渦脫落、不穩(wěn)定性等將導(dǎo)致其他載荷或載荷效應(yīng)；葉片振動(dòng)可發(fā)生在擺振和揮舞方向上，這兩種振型都有可能被負(fù)的氣動(dòng)阻尼激發(fā))。</p><p>　　(2)根據(jù)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間的變化，載荷可分為穩(wěn)態(tài)載荷、瞬時(shí)載荷、周期載荷和隨機(jī)載荷。</p><p>　　1

41、穩(wěn)態(tài)載荷(也稱靜載荷或準(zhǔn)靜載荷)，包括：作用在風(fēng)輪葉片上的氣動(dòng)載荷、離心載荷、機(jī)艙和塔架的重力載荷和氣動(dòng)阻尼等；</p><p>　　2瞬時(shí)載荷，包括：由陣風(fēng)、斜風(fēng)、偏航制動(dòng)、脫網(wǎng)等引起的載荷；</p><p>　　3周期載荷，包括：塔影效應(yīng)對(duì)葉片產(chǎn)生的載荷、葉片旋轉(zhuǎn)引起的重力載荷、氣動(dòng)不平衡產(chǎn)生的載荷、風(fēng)廓線引起的載荷等；</p><p>　　4隨機(jī)載荷，包括：風(fēng)

42、輪啟動(dòng)，發(fā)生地震等引起的載荷</p><p>　　2.2.2載荷計(jì)算的坐標(biāo)系</p><p>　　風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的自然環(huán)境之中，所受到的載荷十分復(fù)雜。要對(duì)風(fēng)力機(jī)中各個(gè)零部件的載荷進(jìn)行計(jì)算，就有必要選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算工具。而坐標(biāo)系是一種很好的輔助計(jì)算工具，在恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系之下可以方便快捷的計(jì)算載荷，達(dá)到事半功倍的效果。設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)會(huì)有不同的設(shè)計(jì)要求和不同的性能計(jì)算，這就需要在風(fēng)力機(jī)上建立不同的坐

43、標(biāo)系。本文采用常用的三坐標(biāo)系，如圖2.2所示。</p><p>　　(l)葉片坐標(biāo)系：其原點(diǎn)位于葉片根部中心處，并隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，各坐標(biāo)軸的方向如圖2.2(a)所示。</p><p>　　(2)輪毅坐標(biāo)系：其坐標(biāo)原點(diǎn)位于風(fēng)輪中心，且不隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，各坐標(biāo)軸的方向如圖2.2(b)所示。</p><p>　　(3)塔架坐標(biāo)系：其原點(diǎn)位于風(fēng)輪軸和塔架軸的交點(diǎn)上，且不隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，

44、各坐標(biāo)軸的方向如圖2.2(c)所示。</p><p>　　圖2.2（a）葉片坐標(biāo)系</p><p>　　圖2.2（b）輪轂坐標(biāo)系</p><p>　　圖2.2（c）塔架坐標(biāo)系</p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片的受力情況比較復(fù)雜，為方便分析，可簡(jiǎn)化為三種力：氣動(dòng)力、離心力和重力，葉片受力情況如圖2.3</p><p>　　

45、圖2-3葉片受力示意圖</p><p>　　2.2.3氣動(dòng)載荷（記作s）</p><p>　　作用在風(fēng)輪(主要是葉片)上的氣動(dòng)力是風(fēng)力機(jī)最主要的動(dòng)力來(lái)源。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)最主要的承載部件。計(jì)算風(fēng)力機(jī)載荷之前必須計(jì)算作用在葉片的上的空氣動(dòng)力。目前計(jì)算作用在葉片翼型上的氣動(dòng)力主要依據(jù)片條理論，該理論綜合了葉素理論和動(dòng)量理論，根據(jù)該理論可以得到：</p><p>　　（1）葉

46、片上單位長(zhǎng)度翼型斷面的氣動(dòng)力：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p><b>　　（2.2）</b></p><p><b>　　式中 為空氣密度；</b></p><p><b>　　W為相對(duì)速度；</b></p>

47、<p><b>　　C為剖面翼型弦長(zhǎng)；</b></p><p><b>　　為來(lái)流角；</b></p><p>　　、分別為翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)。</p><p><b>　　（2）氣動(dòng)力剪力：</b></p><p><b>　?。?.3）</b

48、></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中，R—風(fēng)輪半徑；</p><p>　　r—輪毅中心到翼型斷面的距離。 </p><p><b>　?。?）氣動(dòng)力彎矩：</b></p><p><b>　?。?.4）</b>

49、;</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　式中，—積分變量</b></p><p><b>　　（4）氣動(dòng)力扭矩：</b></p><p>　?。?.6） </p><p>　　式中，—該向量指向

50、負(fù)oz軸方向?yàn)檎词菇菧p小的方向?yàn)檎?lt;/p><p>　　P—翼型斷面壓力中心；</p><p><b>　　C—扭轉(zhuǎn)中心。</b></p><p>　　2.2.4重力載荷（記作u）</p><p>　?。?）單位長(zhǎng)度重力：</p><p>　　設(shè)和分別為剖面各部分的密度和面積。</p&g

51、t;<p><b>　　于是，</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　（2.8）</b></p><p>　　式中，—葉片旋轉(zhuǎn)方位角；</p><p>　　和—分別為折算的密度和面積；</p><p

52、><b>　　—重力加速度。</b></p><p>　?。?）重力拉力或壓力：</p><p><b>　　（2.9）</b></p><p><b>　?。?）重力剪力：</b></p><p><b>　?。?.10）</b></p>

53、;<p><b>　　式中：—軸傾角</b></p><p><b>　?。?）重力彎矩：</b></p><p><b>　　（2.11）</b></p><p><b>　?。?）重力扭矩</b></p><p><b>　?。?/p>

54、2.12）</b></p><p><b>　　式中，G—葉片重心</b></p><p>　　2.2.5離心力載荷（記作v）</p><p>　　由于風(fēng)輪繞主軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力載荷，作用在翼剖面的重心上，與重力載荷相互作用會(huì)給葉片帶來(lái)很大的作用力，計(jì)算時(shí)必須予以考慮。</p><p><b>　　

55、單位長(zhǎng)度離心力 </b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　式中：—風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度</p><p><b>　　離心拉力：</b></p><p><

56、b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　離心剪力：</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p><b>　　離心力彎矩：</b></p><p><b>　　（2.17）</b></p

57、><p><b>　?。?.18）</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　?。?.19） </b></p><p><b>　?。?）離心率扭矩</b></p><p><b>　?。?.

58、20）</b></p><p>　　2.3使用載荷和設(shè)計(jì)載荷</p><p>　　使用載荷是指風(fēng)力機(jī)正常使用中可能出現(xiàn)的最大載荷[17]。在該載荷的作用下，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生妨礙風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的有害變形，卸載后不遺留有害的殘余變形。設(shè)計(jì)載荷是使用</p><p>　　載荷與安全系數(shù)的乘積，是結(jié)構(gòu)能承受的最大載荷，預(yù)計(jì)在大于或等于該載荷作用下，結(jié)構(gòu)將破壞或喪失承載

59、能力。用于設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度校核計(jì)算和進(jìn)行極限載荷或破壞試驗(yàn)。計(jì)算風(fēng)力機(jī)部件的極限載荷用來(lái)分析風(fēng)力機(jī)部件最大強(qiáng)度、疲勞失效、穩(wěn)定性以及變形，在載荷的計(jì)算過(guò)程中，必須針對(duì)上述每種設(shè)計(jì)載荷工況，計(jì)算2.2節(jié)中規(guī)定的載荷。</p><p>　　由于載荷的計(jì)算和材料的實(shí)際特性有許多不確定性因素，因此有必要使用局部載荷安全系數(shù)方法來(lái)具體說(shuō)明材料特性[18]該方法分為兩部分：</p><p>　　(

60、l)確定材料的設(shè)計(jì)特征；(2)選擇材料的局部安全系數(shù)</p><p>　　為了求得極限載荷，就必須要得到載荷函數(shù)S(凡)，它應(yīng)該滿足以下關(guān)系式：</p><p><b>　　式中—失效后果系數(shù)</b></p><p><b>　　c抗力函數(shù)</b></p><p><b>　　—載荷的設(shè)計(jì)

61、值</b></p><p><b>　　—材料特征的設(shè)計(jì)值</b></p><p>　　一般來(lái)講，載荷函數(shù)是預(yù)應(yīng)力的最大值，而抗力函數(shù)是最大允許設(shè)計(jì)值。</p><p>　　載荷的設(shè)計(jì)值可以通過(guò)以下關(guān)系式計(jì)算</p><p><b>　　（2.21）</b></p><

62、;p>　　式中：--載荷的特性值</p><p>　　--載荷的局部安全系數(shù)</p><p>　　材料的設(shè)計(jì)特征值通過(guò)下式計(jì)算：</p><p><b>　　（2.22）</b></p><p>　　式中：--材料的特性值</p><p>　　--材料的局部安全系數(shù)</p>&

63、lt;p>　　載荷的局部安全系數(shù)應(yīng)大于1.0，正常情況下，取值在1.0-1，5之間</p><p>　　材料局部安全系數(shù)至少為1.1，失效后果系數(shù)至少為1.0。</p><p>　　表2-2載荷的局部安全系數(shù)</p><p>　　注：當(dāng)大部分載荷參數(shù)不是以質(zhì)量來(lái)確定時(shí)的取值</p><p>　　2.4葉片材料的選擇</p>

64、<p>　　風(fēng)力機(jī)葉片占整個(gè)風(fēng)電機(jī)組成本的15%一20%。葉片所使用的材料不僅影響葉片的性能和效率，還影響單位發(fā)電量的成本葉片材料的選擇是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前很重要的一項(xiàng)工作，優(yōu)良的材料是風(fēng)力機(jī)葉片具有優(yōu)異特性的重要保證。由于葉片運(yùn)行于野外，惡劣的氣候頻繁發(fā)生，因此葉片材料的選擇受到很多因素的制約。例如：材料的特性、可靠性、安全性、物理屬性、可用性、易處理性、回收再利用特性以及經(jīng)濟(jì)特性。材料選擇的原則如下：用于制造葉片的材料必須

65、具有良好的力學(xué)、熱、化學(xué)特性，包括高強(qiáng)度、高剛度、低密度、長(zhǎng)壽命、良好的耐腐蝕性等等；材料要易于加工制造、價(jià)格合理、能夠保證加工制造過(guò)程中不產(chǎn)生污染環(huán)境的廢物。本節(jié)對(duì)風(fēng)輪葉片的材料特性及葉片的結(jié)構(gòu)予以介紹。</p><p>　　理想的葉片材料應(yīng)具有一些必要的結(jié)構(gòu)特性(較高的比強(qiáng)度、較大的疲勞壽命和剛度)、低成本并且可以形成需要的翼型斷面形狀。</p><p>　　表2-3給出了葉片一些常用

66、材料和可選用材料的結(jié)構(gòu)特性便于比較，表中給出了各種材料的耐壓比強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度與耐壓強(qiáng)度的比值(百分比)、比剛度以及板件復(fù)原參數(shù)。</p><p>　　從表中我們可以清楚看到，玻璃纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料比其他材料有更高的耐壓比強(qiáng)度。但是，這個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)并不像它表現(xiàn)的那樣具有決定性，這是因?yàn)?，在一些包裝層壓葉片殼體的層板中，纖維都偏軸排列(典型的以45.排列)來(lái)抵抗剪切載荷，這樣就減小了軸向強(qiáng)度；這些復(fù)合材料有

67、較低楊氏模量，這意味著設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位的是蒙皮抗皺損而不是簡(jiǎn)單的抗壓屈服。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性與板件復(fù)原參數(shù)成反相關(guān)，因此板件復(fù)原參數(shù)較大的材料，如木材，不易發(fā)生屈曲失穩(wěn)。這樣，在同等條件下，木制葉片比玻璃纖維復(fù)合葉片更輕。</p><p>　　與其它的材料相比，由于木質(zhì)層板有較低的強(qiáng)度，因此木質(zhì)層板不適合制造運(yùn)行于高尖速且有細(xì)長(zhǎng)翼弦的葉片，葉片運(yùn)行在高尖速時(shí)，它的揮舞彎矩相當(dāng)高。曾有報(bào)道，對(duì)于失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)，葉片

68、的應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)速十分敏感，當(dāng)蒙皮的厚度與弦長(zhǎng)的比值一定時(shí)，應(yīng)力以轉(zhuǎn)速的4次方增加。盡管可以通過(guò)增加厚度來(lái)減小應(yīng)力，但當(dāng)厚弦比超過(guò)3一4%時(shí)，厚度增加會(huì)使得風(fēng)力機(jī)效率降低。疲勞特性可以用1護(hù)循環(huán)時(shí)平均疲勞強(qiáng)度占極限疲勞強(qiáng)度的百分比來(lái)表示。顯然，碳纖維和卡歐屬/環(huán)氧葉片的疲勞特性較好，其值為30%。比剛度決定葉片的自然頻率。除碳纖維增強(qiáng)塑料外，其它材料的比強(qiáng)度都相對(duì)較小(18一27GPa之間)，這說(shuō)明材料的選擇對(duì)動(dòng)力特性影響較小。</p&

69、gt;<p>　　從上面的分析可以看出，碳纖維復(fù)合材料有最好的多方面結(jié)構(gòu)特性但是由于它比其他的材料更貴(是玻璃纖維的10倍)而沒有得到普遍應(yīng)用。反而，得到廣泛使用的是玻璃纖維/聚酷，玻璃纖維/環(huán)氧樹脂和木質(zhì)/環(huán)氧層板。原料鋼是最便宜的材料，并且能夠按照翼型輪廓形成變截面、彎曲的面板。但是由于這個(gè)面板難以扭曲，且疲勞特性差，因此剛很少用來(lái)制造風(fēng)力機(jī)葉片。相反，玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料能夠自動(dòng)浸漬保存在模具中，而這個(gè)模

70、具能夠形成合適的翼型、葉片平面形狀以及扭曲。層板復(fù)合葉片也以類似的方式制成，只是膠合板厚度需要加以限制，以確保膠合板能夠彎曲來(lái)滿足鋪層的曲率。</p><p>　　表2-3各種材料的結(jié)構(gòu)特性比較</p><p>　　目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃鋼，對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)40m葉片，有采用碳纖/玻璃纖維混雜復(fù)合材料，由于碳纖維的價(jià)格高，未能推廣。估計(jì)今后一段時(shí)間內(nèi)，玻璃鋼復(fù)合材料仍將是大型風(fēng)

71、力機(jī)葉片的主流材料。 </p><p><b>　　3 葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 葉片剖面結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)</p><p>　　葉片剖面結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)葉片結(jié)構(gòu)性能影響很大。在設(shè)計(jì)中，我們一般根據(jù)葉片具體技術(shù)要求，選擇采用恰當(dāng)?shù)娜~片截面類型

72、。截面類型主要有：實(shí)心截面，空心截面及空心薄壁復(fù)合截面等。當(dāng)用玻璃鋼材料來(lái)制造葉片時(shí)，必須注意到材料的強(qiáng)度和彈性模量與其它類型材料的差異和工藝上的多樣性，并且最好選用較厚的葉型設(shè)計(jì)成空腹結(jié)構(gòu)。但空腹薄壁結(jié)構(gòu)在受載時(shí)容易引起失穩(wěn)和局部變形過(guò)大，因此一般都在空腹內(nèi)充填硬質(zhì)泡沫塑料.蜂窩或設(shè)置加強(qiáng)肋，以提高葉片總體剛度。</p><p>　　圖3.1 葉片典型剖面結(jié)構(gòu)</p><p>　　葉

73、片剖面的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)葉片尺寸大小、荷載情況、制造工藝有所變化。如主梁較寬，主梁的上下緣應(yīng)采用夾層結(jié)構(gòu)，以免產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)?；蛑髁簩挾仍O(shè)計(jì)得較窄，可不采用夾層結(jié)構(gòu)，但要進(jìn)行屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算。前緣空腹由于曲率較大，抗屈曲失穩(wěn)能力較強(qiáng)，通常不需要采用夾層結(jié)構(gòu)，但前緣空腹寬度較大時(shí)應(yīng)考慮采用夾層結(jié)構(gòu)。蒙皮的增強(qiáng)層也可采用纖維氈與織物交替鋪設(shè)。剖面結(jié)構(gòu)形式確定之后，必須對(duì)葉片剖面幾何特性進(jìn)行計(jì)算。由于沿葉片軸線方向，葉片的弦長(zhǎng)C，相對(duì)厚度t/C以及所選取

74、的翼型都是變化的，所以葉片剖面幾何特性的計(jì)算工作量較大。需要計(jì)算的剖面幾何特性有：面積F：重心；慣性矩，；靜矩；扭轉(zhuǎn)剛度等等〔20〕。計(jì)算中，以葉片剖面翼型的前緣點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，翼弦方向?yàn)閤向，垂直于x向和剖面翼型上下表面的交點(diǎn)就是葉片剖面翼型y坐標(biāo)。如圖2-5所示。</p><p>　　圖3.2 翼型剖面圖</p><p><b>　　剖面面積</b></p&

75、gt;<p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：C—剖面翼型的弦長(zhǎng)；</p><p>　　和分別為剖面的上下表面的Y向坐標(biāo)曲線函數(shù)</p><p><b>　?。?）剖面重心</b></p><p>　　（3.2）

76、 （3.3） </p><p>　　假設(shè)葉片的材料密度是均勻的，即=常數(shù)，則</p><p><b>　?。?.4） </b></p><p><b>　　

77、（3.5） </b></p><p><b>　　(3)靜矩</b></p><p>　?。?.6） （3.7）</p><p><b>　　(4)極慣性矩</b></p>

78、<p>　　如果坐標(biāo)原點(diǎn)是葉型的前緣點(diǎn)則對(duì)該坐標(biāo)系的軸慣性矩為</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　此時(shí)坐標(biāo)系平移，原點(diǎn)在質(zhì)心處，那么相對(duì)于質(zhì)心軸系的軸慣性矩為</p><p>　?。?.10）

79、 </p><p>　　（3.11） </p><p>　　由以上各式可求得相對(duì)于質(zhì)心的極慣性矩為</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　(5)扭轉(zhuǎn)剛度</b>&

80、lt;/p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　式中：G--剪切模量；</p><p>　　r--輪轂中心到翼型剖面的距離</p><p><b>　　3.2葉片鋪層設(shè)計(jì)</b></p><p>　　葉片的鋪層設(shè)計(jì)是DDL葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)。葉

81、片的鋪層是由葉片所受的外載荷決定的，無(wú)論是彎矩、扭矩和離心力都是從葉尖向葉根逐漸遞增，所以葉片薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚是從葉尖向葉根逐漸遞增加葉片除滿足強(qiáng)度要求外，還需滿足變形條件，特別是長(zhǎng)的葉片尤其注意葉身設(shè)計(jì)盡可能按等強(qiáng)度布置，葉根安全系數(shù)較大。</p><p>　　3.2.1鋪層設(shè)計(jì)原則 </p><p>　　(1)均衡對(duì)稱的鋪設(shè)原則：鋪層對(duì)中面對(duì)稱；若有-45º層，則應(yīng)用45

82、86;與其平衡。</p><p>　　(2)鋪層定向原則：鋪層方向數(shù)應(yīng)盡可能少，以簡(jiǎn)化鋪層工作量。設(shè)計(jì)中常采用0º，90º，+45º，-45º四種鋪層方向，如需設(shè)計(jì)成各向同性層合板，可用[0/45/90/-45]或[60/0/60]</p><p>　　(3)按照內(nèi)力方向的鋪層取向原則：對(duì)于承受單軸拉伸或壓縮載荷，纖維鋪設(shè)方向應(yīng)與載荷方向一致；對(duì)于承

83、受雙軸向拉伸或壓縮載荷，纖維方向按90º或0º方向鋪設(shè)；對(duì)于承受剪切載荷，+45º，-45º成對(duì)鋪設(shè)；對(duì)于承受拉伸或壓縮和剪切的復(fù)合載荷，0º，90º，+45º，-45º多向鋪設(shè)</p><p>　　(4)鋪層最小比例原則：所有鋪層中，最小鋪層百分比應(yīng)大于或等于6%~10%</p><p>　　(5)鋪層順序原

84、則：應(yīng)使各定向?qū)颖M量沿層合板均勻分布，既要使層合板的單層組數(shù)盡量地大，使每一單層數(shù)盡量小，一般不超過(guò)4層；若層合板中含有土45/層，0o層，900層，應(yīng)盡量在+45/層和-45/層之間用0o層或900層隔開；盡量在0o層合900層之間用45/層或-45/層隔開。</p><p>　　(6)抗局部屈曲設(shè)計(jì)原則：對(duì)于局部屈曲為臨界設(shè)計(jì)情況的構(gòu)件，應(yīng)把45/鋪層盡量鋪設(shè)在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中性層的位置上，即兩側(cè)表面上。</

85、p><p>　　(7)變厚度設(shè)計(jì)原則：一般依據(jù)板件載荷的大小設(shè)定鋪層厚度，載荷越大，鋪層越厚；載荷越小，鋪層越薄。</p><p>　　(8)沖擊載荷區(qū)設(shè)計(jì)原則：足夠多的纖維鋪設(shè)在沖擊載荷方向。</p><p>　　3.2.2鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程</p><p>　　由于葉片的剖面尺寸一般遠(yuǎn)比葉片的長(zhǎng)度小，故葉片的強(qiáng)度和剛度計(jì)算可以簡(jiǎn)化為根端固定的懸臂梁

86、來(lái)考慮，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 葉片簡(jiǎn)化受載示意圖</p><p>　　通過(guò)積分可以求出作用于葉片各剖面的彎矩扭矩和離心力P剪力在葉片壁上取出一個(gè)微元來(lái)分析，則作用在它上面的應(yīng)力主要有沿葉片軸向的，垂直葉片軸向的和剪應(yīng)力</p><p>　　參照已有葉片數(shù)據(jù)和積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以初步假定葉片各剖面的壁厚分布和主要彈模量(沿葉片軸向)和剪切

87、模量然后根據(jù)材料力學(xué)組合梁理論計(jì)算各剖面的應(yīng)力和尖最大變形(包括撓度和扭角)，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，達(dá)到初步符合要求。接著就可安排各剖面的層鋪設(shè)，并計(jì)算其彈性性能使其接近所假定的，，然后再計(jì)算應(yīng)力，并按此布層鋪設(shè)進(jìn)強(qiáng)度、剛度校核，再調(diào)整布層鋪設(shè)，直到滿足要求為止。整個(gè)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)的迭代過(guò)程.</p><p>　　3.3葉片強(qiáng)度和變形設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1葉片的應(yīng)力計(jì)算</p&

88、gt;<p>　?。?）剖面上的正應(yīng)力為</p><p>　　（3.14） </p><p>　　式中一離心拉力引起的正應(yīng)力，</p><p><b>　　（3.15）</b></p><p>　　為彎曲力矩引起的正應(yīng)力</p><p><b&

89、gt;　　（3.16）</b></p><p>　?。?）剖面上的剪應(yīng)力為</p><p><b>　　（3.17）</b></p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　及引起的剪應(yīng)力可按組合梁方法計(jì)算</p><p>　　對(duì)于單腔等厚薄

90、壁剖面，剪應(yīng)力為</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p><b>　?。?.20）</b></p><p><b>　　扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為</b></p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>

91、;　　所以 剪應(yīng)力 （3.22）</p><p>　　3.3.2葉片的變形計(jì)算</p><p>　　(1) 沿R方向的葉尖位移，此位移是由離心拉力所引起，即</p><p><b>　?。?.23）</b></p><p>　　(2) 葉尖的扭轉(zhuǎn)角<

92、/p><p><b>　　（3.24）</b></p><p>　　(3) 葉尖在x及Y方向的位移</p><p>　　由于較大，可以不計(jì)方向的變形，于是</p><p><b>　　x方向的變形為</b></p><p><b>　　（3.25）</b>&

93、lt;/p><p><b>　　Y方向的變形為</b></p><p><b>　　（3.26）</b></p><p><b>　　則總變形為</b></p><p><b>　?。?.27） </b></p><p>　　3.4 葉

94、片根端連接設(shè)計(jì)</p><p>　　葉片根端連接設(shè)計(jì)也是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。因?yàn)槿~片所受的各種載荷，無(wú)論是離心力還是彎矩、扭矩、剪力都在葉片根端達(dá)到最大值。葉片根端連接設(shè)計(jì)的任務(wù)就是把整個(gè)葉片上所承受的載荷傳遞到輪毅上去。葉片根端必須具有足夠的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度，與金屬的膠接強(qiáng)度也要足夠高，這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因此葉片的根端是危險(xiǎn)的部位，設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視。下面介紹兩種葉片根端形式</p>

95、<p><b>　　1.翻邊螺栓連接</b></p><p>　　這種形式的葉根像一個(gè)法蘭翻邊。在此法蘭上，除了有玻璃鋼外，還與金屬盤對(duì)拼，在金屬盤上的附件與輪毅相連如圖所示</p><p>　　圖3.4 翻邊連接示意圖</p><p>　　在這種連接方式中，葉根處玻璃鋼仍然主要承受剪切應(yīng)力。雖然玻璃鋼的斷紋剪切強(qiáng)度(比層間剪切強(qiáng)

96、度)高，約為70一80MPa，但葉根強(qiáng)度仍由翻邊出的剪切強(qiáng)度控制。為了提高葉根處承載性能，葉片鋪層應(yīng)在葉根附近加厚以擴(kuò)大承力面積，螺釘應(yīng)盡量靠近葉根，法蘭頂面使用一個(gè)壓環(huán)，并注意在翻邊轉(zhuǎn)角處采用圓弧過(guò)渡等措施</p><p>　　2.預(yù)埋金屬根端連接</p><p>　　在根端設(shè)計(jì)中，預(yù)埋上一個(gè)金屬根端，此結(jié)構(gòu)一端可與輪毅連接，另一端牢固預(yù)埋在玻璃鋼葉片內(nèi)。這種根端設(shè)計(jì)，主要用于新研制的玻

97、璃鋼葉片。這種結(jié)構(gòu)形式避免了對(duì)玻璃鋼結(jié)構(gòu)層的加工損傷，經(jīng)過(guò)外試驗(yàn)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)證明是最可靠的，唯一缺點(diǎn)就是每個(gè)螺紋件的定位必須準(zhǔn)確，如圖</p><p>　　圖3.5 預(yù)埋金屬根端葉根</p><p>　　以上介紹了兩種主要的葉片根端連接設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行變更?？偟囊笫且诒ＷC葉片安全使用，葉根處有較好的承載能力條件下，考慮工藝方法及應(yīng)用性能等方面的因素 </p

98、><p>　　3.5葉片頻率的計(jì)算</p><p>　　葉片的振動(dòng)主要由地面表面層效應(yīng)(即風(fēng)剪切)以及塔架在不同諧波頻率時(shí)的導(dǎo)槽引起。在共振情況下，葉片會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)，這是葉片上的動(dòng)應(yīng)力急劇增大，可能產(chǎn)生災(zāi)難性破壞。但只要偏離共振區(qū)，振動(dòng)就會(huì)大為減弱。一般葉片自振頻率不與轉(zhuǎn)速頻率的整數(shù)倍重合，就可避免共振。實(shí)際中最重要的是避免低階自振頻率與轉(zhuǎn)速頻率的整倍數(shù)重合。對(duì)葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求葉

99、片第一頻率大于轉(zhuǎn)速頻率的B倍(B為葉片數(shù))。因此計(jì)算葉片的頻率有著重要意義。</p><p>　　通常葉片各剖面的扭角是不同的，各剖面的主慣性軸也因此不平行。葉片振動(dòng)時(shí)各剖面的彈性位移可分解為兩個(gè)互相垂直的方向位移，葉片的彈性線不再是平面曲線，這樣就產(chǎn)生了兩個(gè)方向互相禍合的彎曲振動(dòng)。如果葉片扭曲較大，那么藕合影響也就較大，在進(jìn)行頻率計(jì)算時(shí)，有必要考慮這種禍合影響。采用圖所示坐標(biāo)系口Z為葉片重心軸，u，v為x，y方

100、向位移。</p><p>　　圖3.6 雙向彎曲振動(dòng)坐標(biāo)系</p><p><b>　　由材料力學(xué)可知：</b></p><p><b>　?。?.28）</b></p><p><b>　?。?.29）</b></p><p>　　經(jīng)變換得自由振動(dòng)

101、方程：</p><p><b>　　（3.30）</b></p><p><b>　?。?.31）</b></p><p>　　對(duì)位移u，v進(jìn)行分離變量可得出頻率方程：</p><p><b>　?。?.32）</b></p><p>　　（3.33）

102、 </p><p>　　上述方程中，，為關(guān)于坐標(biāo)軸oxy的慣性矩和慣性積，其中</p><p>　?。?.34） </p><p><b>　　（3.35）</b></p><p><b>　?。?.36）</b></p><

103、;p>　　應(yīng)用伽遼金法求解方程式(2.28)及(2.29)，并以矩陣形式表示：</p><p><b>　?。?.37）</b></p><p>　　于是可求出n個(gè)擺振方向頻率和揮舞方向頻率及相應(yīng)的擺振方向和揮舞方向的藕合振型。 </p><p>　　3.6葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算例</p><p>　　正如前面所述，風(fēng)力機(jī)

104、葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)性能計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它的主要任務(wù)是進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)和根端連接設(shè)計(jì)，并結(jié)合氣動(dòng)計(jì)算校核強(qiáng)度和剛度，反復(fù)調(diào)整，最終得滿意結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖3.7 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖 </p><p>　　3.6.1葉片氣動(dòng)外形參數(shù)</p><p>　　表3-1 葉片總體參數(shù)</p><p>　　3

105、.6.2葉片材料選擇 </p><p>　　目前，玻璃鋼復(fù)合材料是風(fēng)力機(jī)葉片的主流材料，它有著許多優(yōu)點(diǎn)。本課題葉片設(shè)計(jì)中選用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GRP)，其材料性能參數(shù)見表3-2。</p><p>　　表3-2GRP力學(xué)性能參數(shù)</p><p>　　3.6.3葉片結(jié)構(gòu)形式 </p><p>　　葉片設(shè)計(jì)中，選用主梁加蒙皮的結(jié)構(gòu)形式

106、，其中主梁以加強(qiáng)肋形式，，蒙皮要滿足葉片的氣動(dòng)性能要求，同時(shí)承受彎曲與剪切載荷，主梁主要承受大部分彎曲載荷。由于設(shè)計(jì)中，主梁寬度較窄，故不采用夾層結(jié)構(gòu)。</p><p>　　3.6.4葉片的結(jié)構(gòu)尺寸及鋪層設(shè)計(jì)</p><p>　　(l)葉根尺寸的確定設(shè)計(jì)中根據(jù)靜態(tài)驗(yàn)證載荷，即極端推力載荷，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)=38]，風(fēng)輪單位掃掠面上極端推力載荷取為</p>&

107、lt;p>　　則作用在風(fēng)輪上總推力載荷為</p><p>　　式中： —極端推力載荷</p><p><b>　　—風(fēng)輪掃掠面積</b></p><p>　　這個(gè)載荷由三個(gè)葉片共同承受，并且以三角形模式線形分布(如圖)，在葉根端處最小為0，而在葉尖處達(dá)到最大為3.732N/m，。每個(gè)葉片應(yīng)當(dāng)承受的極端載荷為</p><

108、p><b>　?。?.38）</b></p><p><b>　?。?.39）</b></p><p>　　式中：--作用在風(fēng)輪上的總推力載荷；</p><p>　　B--風(fēng)輪的葉片數(shù)；</p><p>　　--作用在單個(gè)葉片上的推力載荷；</p><p>　　R--葉

109、片根端到葉片尖端的長(zhǎng)度；</p><p>　　--作用單個(gè)葉片上的推力載荷產(chǎn)生的扭矩。</p><p>　　圖3.8 葉片上的載荷分析</p><p>　　由于葉片根部斷面為圓形，而且葉片內(nèi)部是空心的，因此，葉根應(yīng)該有內(nèi)徑d-和外徑心，兩者尺寸根據(jù)上述在和條件進(jìn)行初步確定。依據(jù)虎克定律，葉根斷面應(yīng)力可以表示為</p><p><b&g

110、t;　?。?.40）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　　—葉根斷面應(yīng)力；</b></p><p>　　—葉根產(chǎn)生的應(yīng)變，；</p><p>　　—葉根材料的彈性模量，。</p><p><b>　　于是<

111、/b></p><p><b>　?。?.41）</b></p><p>　　同時(shí)，根據(jù)彎曲公式可以得到</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　于是式（3.40）變?yōu)椋?lt;/p><p>　　聯(lián)立式（2.37）和式（2.39）則有</p&g

112、t;<p>　　式（3.40）的求解需要進(jìn)行迭代計(jì)算，根據(jù)初始值為葉片長(zhǎng)度的10%以及不能超出輪毅直徑的原則，在迭代過(guò)程中，取，然后進(jìn)行迭代運(yùn)算，找到一個(gè)合適的，最終結(jié)果為：，=0.17m，也就是說(shuō)葉根的實(shí)際材料厚度為20mm。</p><p><b>　　（2）葉片鋪層設(shè)計(jì)</b></p><p>　　當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的氣候條件中，應(yīng)力和應(yīng)變都在葉根

113、處出現(xiàn)集中，為保證強(qiáng)度要求，葉根處的厚度達(dá)到最大；為保證剛度要求，葉片的壁厚應(yīng)沿葉片展向逐漸減小。設(shè)計(jì)中壁厚初步按照線性分布，這樣有利于葉片的制造。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)葉根材料厚度為20mm，而由氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)知，葉尖厚度為25mm，考慮到制造時(shí)，兩個(gè)蒙皮層板之間樹脂的厚度，設(shè)計(jì)時(shí)為之預(yù)留11mm，這樣每個(gè)蒙皮層板厚度為12mm，沿展向各截面處壁厚按照線形分布即可確定。梁的厚度設(shè)為40mm，并沿葉片展向不發(fā)生變化，梁起始于葉根，終止于葉尖。<

114、/p><p>　　根據(jù)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)原則以及葉片設(shè)計(jì)實(shí)際情況，先假定葉片鋪層情況如下：沿葉片展向，每個(gè)蒙皮層板均有40層，每層厚度變化一致，在葉根處厚度均為0.5mm，在葉尖處為0.3mm，中間按照線形分布；纖維鋪層方向?yàn)?，所有鋪層?duì)中面對(duì)稱。梁采用單向纖維鋪設(shè)，設(shè)有80層，每層厚度均為0.5mm，并沿葉片展向不變，鋪設(shè)方向?yàn)椤?lt;/p><p><b>　　4 葉片結(jié)構(gòu)介紹<

115、/b></p><p>　　4.1 葉身的設(shè)計(jì) </p><p>　　圖4.1 葉身的形狀</p><p><b>　　4.2 葉根的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4.2 葉根的形狀</p><p>　　這種形狀的設(shè)計(jì)能更好地讓葉片與輪槽進(jìn)行很好的貼合。</p><

116、;p>　　4.3 葉片剖面的形狀</p><p>　　圖4.3 葉片剖面的形狀</p><p>　　4.4 葉根與輪槽配合圖</p><p>　　圖4.4 最大配合圖</p><p>　　圖4.5 最小配合圖</p><p>　　說(shuō)明：（1）葉根與輪槽貼合面的兩邊高低偏差不大于0.02，同時(shí)保證節(jié)距公差。&

117、lt;/p><p>　?。?）配合時(shí)的間隙一定要保證在最大到最小的范圍內(nèi)。</p><p>　?。?）漏光不大于0.8。</p><p><b>　　5 結(jié)論與展望</b></p><p><b>　　5.1結(jié)論</b></p><p>　　能源危機(jī)’’催生了可再生能源在全球的迅

118、猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能的主要利用形式，成為環(huán)保型能源的新寵，今年來(lái)得到世界各國(guó)政府的大力支持。我國(guó)也在風(fēng)電發(fā)展上給予了大力支持，出臺(tái)了一系列優(yōu)惠政策，如《可再生能源法》、《可再生能源發(fā)展》、《十一五規(guī)劃》等。由于我國(guó)風(fēng)電發(fā)展起步較晚，國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)計(jì)技術(shù)與國(guó)外差距很大，作為風(fēng)電機(jī)組核心部件之一的葉片尤其如此，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化呼聲也越來(lái)越高。在此背景下，對(duì)國(guó)內(nèi)外葉片相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行討論，并展開了部分研究工作，

119、包括風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性能計(jì)算研究、葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究以及彎扭耦合技術(shù)在葉片設(shè)計(jì)中的初步應(yīng)用研究，掌握了葉片氣動(dòng)性能計(jì)算方法。.考慮葉片實(shí)際連接情況，將其視為剛性連接，對(duì)葉片根部采用全約束簡(jiǎn)化為懸臂梁進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。考慮到葉片模型為殼體結(jié)構(gòu)，通過(guò)將計(jì)算的彎矩載荷等效為線性分布力載荷的方案進(jìn)行加載，最終進(jìn)行葉片強(qiáng)度和剛度分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)其葉尖位移變形最大，葉根應(yīng)力最大，但均未超過(guò)極限值，設(shè)計(jì)符合要求。</p><p&

120、gt;<b>　　5.2 展望</b></p><p>　　風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，掌握葉片的設(shè)計(jì)技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組自主創(chuàng)新進(jìn)程中的關(guān)鍵之舉。然而風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素也很繁多，真正掌握這一技術(shù)需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在該項(xiàng)目研究過(guò)程中，由于本人精力和水平有限，以下問題待進(jìn)一步改進(jìn)：</p><p>　?。?）爭(zhēng)取得到葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的完全數(shù)據(jù)，

121、在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣結(jié)果會(huì)更符合實(shí)際</p><p>　　（2）在進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)特性分析時(shí)，應(yīng)將葉片和輪毅一起分析，有條件時(shí)應(yīng)該將整個(gè)機(jī)組作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，這樣更符合實(shí)際情況。</p><p>　?。?）正如文中所講，葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，從結(jié)構(gòu)角度提出修改意見，甚至改變某些斷面形式以求得最佳氣動(dòng)效果和最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。