風機葉片受力分析：2MW風機葉片的結構設計及靜力學分析

　　01

　　葉片模型設計

　　參照國內２ ＭＷ 風力發電機葉片運行參數，本文選用三葉片風機，葉片數Ｂ ＝ ３，選取葉尖速比［６］ λ０ ＝８．

　　１.１ 翼型選擇

　　風機的運行效率與可靠性與翼型的氣動性能密切相關，為了設計出具有更錦工能捕獲能力和低氣動載荷的高性能葉片［７］ ，在風電應用初期階段，葉片外形比較小，載荷較低，對翼型的要求很低，主要選擇低速航空翼型，如ＮＡＣＡ４４系列和ＮＡＣＡ６３——２ 系列翼型等［８］ ．自２０ 世紀８０ 年代起，歐美國家陸續進行了風力機先進翼型的研究，研制了一批專用風力機翼型，如德國Ａｅｒｏｄｙｎ 公司的ＡＥ０２ 系列翼型、荷蘭的ＤＵ 翼型族、瑞典的ＦＦＡ 翼型族．其中，荷蘭的Ｄｅｌｆｔ 大學先后發展了相對厚度１５％——４０％的ＤＵ 系列翼型，而且在功率３５０——３ ５００ ｋＷ 的風力機上廣泛應用，本文選用ＤＵ 系列的翼型，翼型如圖１ 所示．

　　１.２ 葉片直徑設計

　　本文參考國內２ ＭＷ 風機的各項性能參數，設計風機葉片．因此，風輪直徑可按式（１） 進行估算：

　　１.３ 葉片長和扭角設計

　　風機葉片外形復雜，總體表現為展向扭曲，而且在展向方向上，弦長與扭角也大小迥異，不能夠簡單地將它們的特點進行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向將葉片劃分許多“截面”，對每個“截面”的數據進行計算，隨后對數據分析、擬合．

　　本文基于動量理論進行計算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的優化函數ｆｍｉｎｃｏｎ 進行優化計算，優化目標為使風能的轉換效率達到最大值，通過優化目標函數公式（２），條件方程為公式（３），利用迭代法計算軸向因子ａ 和周向因子ｂ．

　　優化目標函數：

　　條件方程：

　　其優化步驟為：１）根據葉素理論，沿葉片展向分成若干等截面；２）針對每截面，求解得出各個截面的軸向因子ａ、周向因子ｂ 和葉梢損失系數Ｆ；３）計算每個截面的流傾角，并根據β ＝Ｉ——α，計算每個截面的扭角；４）計算出各個截面的處的弦長；５）對計算結果進行改進．６）根據改進結果進行修正模型、建模．

　　利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并進行曲線擬合，結果見圖２——５，可以看出，經過擬合，曲線過渡光滑平穩．

　　１.４ ＵＧ 三維建模

　　由于風機葉片模型復雜，以及ＦＥＡ 軟件建模效果的局限性，必須借用三維軟件完成葉片精確模型的設計，本文利用表１ 中計算的葉片弦長ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中對導入翼型進行縮放和扭轉，完成葉片截面圖的創建，利用樣條曲線連接各個翼型，并建立主梁，最終模型如圖６ 所示．

　　02

　　葉片鋪層設計

　　２．１ 葉片材料選擇

　　本文采用目前常用的玻璃鋼材料Ｅ——玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料．

　　２．２ 葉片鋪層設計

　　在葉片運行過程中，由于環境對葉片各個部位施加的載荷不同，通常對葉片進行塊化處理，將葉片分為前緣、后緣、腹板和主梁４ 種結構．參照國內外和以往鋪層設計經驗［８——１４］ ，其設計原則如下［１２］ ：

　　１）為了最大限度地利用纖維軸向的高性能，應用０°鋪層承受軸向載荷；±４５°鋪層用來承受剪切載荷，即將剪切載荷分解為拉、壓分量來布置纖維承載；９０°鋪層用來承受橫向載荷，以避免樹脂直接受載．

　　２）為了提高葉片的抗屈曲性能，除布置較大比例的０°鋪層外，也要布置±４５°鋪層，以提高結構受壓穩定性．

　　３）構件應包含４ 種鋪層，一般在０°、±４５°層板中加入９０°的鋪層，構成正交異性板．對葉片不同結構進行鋪層設計，表２——５ 分別為葉片不同部位的鋪層順序表．

　　圖７ 為利用ＡＢＡＱＵＳ 對風機葉片不同部位建立鋪層后腹板和主梁的效果圖，從效果圖中可以直觀地看出不同位置的鋪層差異．

　　03

　　靜力學分析

　　３.１ 載荷計算

　　由于風機所處環境復雜，葉片表面載荷難以準確的計算和測量，一般都是利用風機專用分析軟件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算葉片表面的數據，本文利用ｂｌａｄｅｄ軟件計算風機葉片不同部位在額定風速下的載荷［１６］ ，將分析所得載荷加載在葉片表面，葉片加載位置和加載力與扭矩的大小如圖８ 和表６ 所示（在ＡＢＡＱＵＳ 中通過選擇節點和曲線添加載荷）．

　　３.２ 應力分布規律分析

　　由圖９ 葉片應力云圖可以看出，應力最大的位置出現在根部，而且分布較為復雜，其最大值為１５ ＭＰａ．此外，應力從葉根部位向葉尖部位逐漸減小，各分塊的處節點應力值的變化如圖１０——１５ 所示．圖１０ 為葉片根部截面的應力變化規律曲線，從圖中可以看出根部的應力基本都保持在兆帕級以上，而且力的大小呈現一個正態分布的形式，其原因是葉片的承受力主要集中在迎風面，所以迎風面的壓力較大，造成葉根部位迎風面的壓力大于壓力面．

　　圖１０、圖１１ 分別為后緣和前緣部位葉根到葉尖的應力變化曲線，可以看出：葉片表面的應力是從葉根向葉尖部位逐漸變小，而且在局部地方還有應力集中；后緣部位的應力突變的部位比前緣的多，而且變化更為嚴重，這是由于葉片翼型的后緣曲率較大，變化快，造成后緣應力集中部位較多．

　　３.２ 葉片根部復合材料應力變化規律分析

　　圖１６～１８ 分別為葉根部位４５°、－４５°、９０°和０°鋪設角度的Ｍｉｓｅｓ 應力云圖，可以看出，由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異， 最大應力出現在４５° 的鋪層中， 為１５．２ ＭＰａ，出現在第２ 層，然后是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ，出現在第５８ 層，再然后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ，出現在第１ 層，０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ，出現在第５２ 層．從應力云圖中可以看到，隨層數的變化，葉片上的應力差異在逐漸減小，而且應力最大的部位向葉片根部連接端移動．

　　圖２０ 為葉根部位鋪層自外向內的應力變化曲線，葉片根部部位單層層合板上的最大應力呈現周期性變化規律，與葉片根部鋪層的鋪設基本一致，雖然相同角度的不同位置的鋪層上的應力有一定的差異，但總體上差異遠小于鋪設角度的差別．圖２１ 為其最小應力的位置改變曲線，由圖形可知，最小應力出現在中間靠近葉片內腔的位置，這是因為葉片受到外力的作用導致應力變化向內轉移．

　　04

　　結 論

　　運用翼型設計軟件Ｐｒｏｆｉｌｉ、分析軟件Ｍａｔｌａｂ以及三維制圖軟件ＵＧ 和ＡＢＡＱＵＳ，能夠創建更貼近實際工程的風機葉片模型，通過ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算載荷以及對葉片加載分析后得到以下結論：

　　１）在額定風速下，由于葉片的承受力主要集中在迎風面，導致葉片根部應力的大小呈現一個正態分布的形式，應力大小基本保持在兆帕級，最大應力為１５ ＭＰａ．

　　２）通過對葉片根部不同鋪層應力分析可知：由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異，最大應力出現在４５°的鋪層中，為１５．２ ＭＰａ；第二是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ；之后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ； ０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ．

　　３）對葉片根部復合材料層間力分析可知，——４５°鋪層的層間應力最大，而且應力跟隨鋪設角度的不同而成周期性變化．

　　■ 來源:材料科學與工藝

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風機葉片受力分析：散熱器風機葉片應力測試案例

　　2020-09-05 09:54:29

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　　摘要:某散熱器風機葉片需要做較高轉速的下應力應變試驗，驗證葉片強度設計的合理性。東方所采用滑環連接數據線的方式，解決了旋轉工況下應變數據難以傳輸的問題，經過試驗得到了關注點的應力數據。

　　關鍵詞:風機葉片，應力應變試驗，滑環

　　1、項目概況

　　某型散熱風機葉片長度0.4米，工況下轉速較高，為驗證該型葉片強度設計的合理性，并為優化設計提供試驗依據，需要做工況下葉片的應力應變試驗。試驗對象為旋轉部件，為解決數據傳輸的問題，采用滑環連接應變數據線，并采用東方所高精度數據采集儀和應變測試分析軟件得到了各關注點的主應力。

　　2、測試難點

　　2.1 風機為旋轉設備，數據線難以連接

　　風機工況下轉速分別為1225RPM、1275RPM，測點在風機葉片上，作為旋轉設備，測點數據線的連接不能采用常規的接線方式處理。根據試驗對象的特點，結合東方所豐富的工程經驗，采用了定制的適用于高速旋轉的滑環連接數據線進行數據傳輸，成功解決這個問題，如圖1所示。葉片和應變測點在滑環的轉動端一側，數據采集儀和溫度補償片在滑環的固定端一側。

　　圖1 滑環安裝

　　2.2 風機高速旋轉時溫度變化快，需考慮溫度的影響

　　葉片上布置三個測點，每個測點采用90°三軸應變花進行測量，測量完畢進行應變花分析得到主應力，如圖2所示。

　　為避免溫升對測量結果的影響，應變橋路選擇半橋的方式，每個應變花對應一個溫度補償片，溫度補償片粘貼在與被測對象相同的材料上，并放置在靠近葉片的位置固定，如圖3所示。

　　圖2 應變測點

　　圖3 應變工作片和補償片固定牢固

　　2.3 現場電磁干擾較大，難以獲得理想的數據

　　試驗現場為工廠加工車間，現場各種設備會產生較大的電磁干擾，會對測量數據產生影響，導致測量數據嚴重失真。為消除電磁干擾的影響采用東方所高動態范圍、低本底噪聲，并有防電磁干擾設計的高精度動態數據采集儀進行數據采集，可避免這一問題。

　　3、測試系統

　　3.1 分析軟件

　　· DASP V11工程版平臺軟件

　　· DASP V11應變花分析軟件

　　3.2 采集硬件

　　16通道24位INV3062V數據采集儀，內置應變調理模塊

　　4、數據分析

　　4.1 工況1175RPM時，測點三應力分析

　　測點各方向在工況時受壓應力，在大概-1070微應變附近上下波動，應變值比較穩定。

　　進行應變花分析，圖6中所示光標處應變最大主應力-11.71MPa，最小主應力-11.21MPa，第四強度理論等效應力11.19MPa，切應力0.017MPa，最大主應力角度-19°。

　　圖4 時域波形分析

　　圖5 應變花分析設置

　　圖6 應變花分析結果

　　4.2 頻譜分析

　　由上述分析可知，在風機恒定轉速下各測點受到比較穩定的壓應力，應力幅值在小范圍波動，對數據進行頻譜分析可得到波動頻率，以測點三為例，圖7為測點三在1275RPM時的頻譜，主頻率為21.5Hz，是該轉速的基頻，其它為基頻的倍頻。

　　圖7 頻譜分析

　　5、試驗結果

　　（1）測量旋轉部件的應變、振動等信號，數據傳輸一向是個難題，本次試驗采用定制的高速滑環很好的解決了這個問題，得到了準確的數據。

　　（2）采用東方所高精度數據采集儀和應變花分析軟件，避免了電磁干擾的影響，經過試驗得到了風機葉片在工況下的主應力，為驗證設計參數和后續優化設計提供了試驗依據。

風機葉片受力分析：風機葉片原理及結構.doc

　　風電場安全生產及新項目生產準備培訓班 風機葉片的原理、結構和運行維護

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　　專業技術資料整理分享

　　風機葉片的原理、結構和運行維護

　　潘東浩

　　風機葉片報涉及的原理

　　風力機獲得的能量

　　氣流的動能

　　E=EQ EQ mv2=EQ EQ ρSv3

　　式中 m氣體的質量

　　S風輪的掃風面積，單位為m2

　　v氣體的速度,單位是m/s

　　ρ空氣密度，單位是kg/m3

　　E 氣體的動能，單位是W

　　二． 風力機實際獲得的軸功率

　　P=ρSv3Cp

　　式中 P風力機實際獲得的軸功率，單位為W；

　　ρ空氣密度，單位為kg/m3;

　　S風輪的掃風面積，單位為m2;

　　v上游風速，單位為m/s.

　　Cp 風能利用系數

　　三． 風機從風能中獲得的能量是有限的，風機的理論最大效率

　　η≈0.593

　　即為貝茲（Betz）理論的極限值。

　　第二節 葉片的受力分析

　　一．作用在槳葉上的氣動力

　　上圖是風輪葉片剖面葉素不考慮誘導速度情況下的受力分析。在葉片局部剖面上，W是來流速度V和局部線速度U的矢量和。速度W在葉片局部剖面上產生升力dL和阻力dD，通過把dL和dD分解到平行和垂直風輪旋轉平面上，即為風輪的軸向推力dFn和旋轉切向力dFt。軸向推力作用在風力發電機組塔架上，旋轉切向力產生有用的旋轉力矩，驅動風輪轉動。

　　上圖中的幾何關系式如下：

　　Φ=θ+α

　　dFn=dDsinΦ+dLcosΦ

　　dFt=dLsinΦ-dDcosΦ

　　dM=rdFt=r(dLsinΦ-dDcosΦ)

　　其中，Φ為相對速度W與局部線速度U（旋轉平面）的夾角，稱為傾斜角；

　　θ為弦線和局部線速度U（旋轉平面）的夾角，稱為安裝角或節距角；

　　α為弦線和相對速度W的夾角，稱為攻角。

　　二．槳葉角度的調整（安裝角）對功率的影響。（定槳距）

　　改變槳葉節距角的設定會影響額定功率的輸出，根據定槳距風力機的特點，應當盡量提高低風速時的功率系數和考慮高風速時的失速性能。定槳距風力發電機組在額定風速以下運行時，在低風速區，不同的節距角所對應的功率曲線幾乎是重合的。但在高風速區，節距角的變化，對其最大輸出功率（額定功率點）的影響是十分明顯的。事實上，調整槳葉的節距角，只是改變了槳葉對氣流的失速點。根據實驗結果，節距角越小，氣流對槳葉的失速點越高，其最大輸出功率也越高。這就是定槳距風力機可以在不同的空氣密度下調整槳葉安裝角的根據。

　　不同安裝角的功率曲線如下圖所示：

　　第三節

　　葉片的基本概念

　　1、葉片長度：葉片徑向方向上的最大長度，如圖1所示。

　　圖1 葉片長度

　　圖1 葉片長度

　　2、葉片面積

　　葉片面積通常理解為葉片旋轉平面上的投影面積。

　　3、葉片弦長

　　葉片徑向各剖面翼型的弦長。葉片根部剖面的翼型弦長稱根弦，葉片尖部剖面的翼型弦長稱尖弦。

　　圖2葉片弦長、扭角示意圖葉片弦長分布可以采用最優設計方法確定，但要從制造和經濟角度考慮，葉片的弦長分布一般根據葉片結構強度設計

　　圖2葉片弦長、扭角示意圖

　　要求對最優化設計結果作一定的修正。

　　根據對不同弦長分布的 計算，梯形分布可以作為最好的近似。

　　4、葉片扭角

　　葉片各剖面弦線和風輪旋轉平面的夾角，如上圖所示。

　　5、風輪錐角

　　風輪錐角是指葉片相對于和旋轉軸垂直的平面的傾斜度，如右圖所示。錐角的作用是在風輪運行狀態下減少離心力引起的葉片彎曲應力和防止葉尖和塔架碰撞的機會。

　　6、風輪仰角

　　風輪的仰角是指風輪的旋轉軸線和水平面的夾角，如上圖所示。仰角的作用是避免葉尖和塔架的碰撞。

　　第四節

　　葉片的設計與制造

　　在葉片的結構強度設計中要充分考慮到所用材料的疲勞特性。首先要了解葉片所承受的力和力矩，以及在特定的運行條件下風負載的情況。在受力最大的部位最危險，在這些地方負載很容易達到材料承受極限。

　　葉片的重量完全取決于其結構形式，目前生產的葉片，多為輕型葉片，承載好而且很可靠。

　　目前葉片多為玻璃纖維增強復合材料（GRP），基體材料為聚酯樹脂或環氧樹脂。環氧樹脂比聚酯樹脂強度高，材料疲勞特性好，且收縮變形小。聚酯材料較便宜，它在固化時收縮大，在葉片的連接處可能存在潛在的危險，即由于收縮變形在金屬材料與玻璃鋼之間可能產生裂紋。

　　水平軸風輪葉片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形復雜，僅外表面結構就需要很高的制造費用。使用復合材料可以改變這種狀況，只是在模具制造工藝上要求高些。葉片的模具由葉片上、下表面的反切面樣板成型，在模具中

風機葉片受力分析：風機葉片吊索具安裝工況中的受力分析

　　根據對大型風電機組葉片安裝工藝的分析，葉片在吊索具吊裝操作中，受力可歸納為3個工況：水平吊裝、豎直吊裝和介于這兩個工況之間的傾斜或旋轉工況。

　　1 水平吊裝工況

　　處于水平工況時，葉片前緣向地面，尖部夾具的最下2塊夾板和大梁上的2塊夾板承擔整只葉片的絕大部分重力載荷。由大梁處施加壓力提供摩擦力，前緣提供支撐力，這對葉片受載來說是比較合理的， 可保證葉片結構強度安全。

　　2 豎直吊裝工況

　　處于豎直吊裝工況時， 葉片的根部朝向天空，葉片被根部夾具卡住而不能滑落。葉片的形狀能形成自鎖， 為保證機構自鎖需要保持一定的壓力。在吊裝的過程中，應該盡量減少葉片與夾具的相對滑移，即施加夾持壓力使根部夾具與葉片之間產生穩定的自鎖。

　　3 旋轉或傾斜吊裝工況

　　處于傾斜位置或葉片和夾具同時旋轉中，葉片靠夾具表面的摩擦力和根部夾具提供的機械力而不能滑落。受力情況在水平以及豎直2個工況之間。

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