风电叶片设计流程

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1、叶片设计流程一．空气动力设计1．确定风轮的几何和空气动力设计参数2．选择翼型3．确定叶片的最佳形状4．计算风轮叶片的功率特性5．如果需要可以对设计进行修改并重复步骤4，以找到制造工艺约束下的最佳风轮设计。6．计算在所有可遇尖速比下的风轮特性对于每个尖速比可采用上面步骤4所述的方法，确定每个叶素的空气动力状态，由此确定整个风轮的性能。7．风力机叶片三维效应分析8．非定常空气动力现象9．风力机叶片的动态失速10．叶片动态入流二．风机载荷计算作为风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。国际电工协会制定的IEC61400-1标准、德国船级社制定的GL规范和丹麦制

2、定的DS472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。2.1IEC61400-1标准规定的载荷情况2.2风机载荷计算1计算模型1）风模型（1）正常风模型（2）极端风模型（3）三维湍流模型2）风机模型风机模型包括几何模型、空气动力学模型、传动系统动力学模型、控制系统闭环模型和运行状态监控模型等。2风力机载荷特性1）叶片上的载荷（1）空气动力载荷包括摆振方向的剪力Qyb和弯矩Mxb、挥舞方向的剪力Qxb和弯矩Myb以及与变浆距力矩平衡的叶片俯仰力矩Mzb。可根据叶片空气动力设计步骤4中求得的叶素上法向力系数Cn和切向力系数Ct,通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷。（2）重力载荷

3、作用在叶片上的重力载荷对叶片产生的摆振方向弯矩，随叶片方位角的变化呈周期变化，是叶片的主要疲劳载荷。（3）惯性载荷（2）操纵载荷2）轮毂上的载荷3）主轴上的载荷4）机舱上的载荷5）偏航系统上的载荷6）塔架上的载荷三．风力机气动弹性当风力机在自然风条件下运行时，作用在风力机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使结构产生变形和振动，影响风力机的正常运行甚至导致风力机损坏。因此，在风力机的设计中必须考虑系统的稳定性和在外载作用下的动力响应，主要有①风力机气动弹性稳定性和动力响应②风力机机械传动系统的振动③风力机控制系统（包括偏航系统和变浆距系统等）的稳定性和动力响应④风力机系统

4、的振动。3.1风力机气动弹性现象1．风力机叶片气动弹性稳定性问题2．风力机系统振动和稳定性问题3.2风力机气动弹性分析目的是保证风力机在运行过程中不出现气动弹性不稳定。主要的方法是特征值法和能量法。特征值法是在求解弹性力学的基本方程中，考虑作用在风力机叶片上的非定常空气动力，建立离散的描述风力机叶片气动弹性运动的微分方程。采用Floquet理论求解，最后稳定性判别归结为状态转移矩阵的特征值计算。1.风力机气动弹性模型1）结构模型2）空气动力模型2．风力机动力学方程风力机动力学方程建立时，将风力机分为叶片、机舱和塔架三部分进行建模。由于风力机运动的复杂性，可在非惯性坐标系中建立

5、风力机动力学方程。3．风力机气动弹性动力响应分析4．风力机气动弹性稳定性分析风力机气动弹性稳定性分析是在求解稳态动力响应之后进行的，并假设系统相对于稳态动力响应解具有小扰动。系统初始摄动时间为零，并假设系统在弹性力惯性力和空气动力载荷的相互作用下自由运动。因此，可以将风轮/机舱/塔架耦合系统动力学方程的解表示为稳态解和增量解。三．风机空气动力试验作为风机设计和研究的重要环节，除在风洞中进行试验外，还可以在风电场中进行试验。4.1风洞试验1．风洞试验要求1）流场模拟2）模型模拟风机模型风洞试验时，风力机风轮模型要求满足下列相似准则。1.几何相似2.运动相似3.动力相似1．风洞试

6、验项目①风机风轮性能试验目的是测量风轮功率系数、风轮轴向力（推力）系数和风轮转矩系数随风轮叶尖速比的变化曲线。在不同风速和不同偏航角下测出风轮转矩M、风轮轴向力（推力）T和风轮转速n后，就能得到风力机风轮的功率特性、轴向力特性和转矩特性。风轮转矩M和风轮轴向力（推力）T可以用测力传感器或应变天平进行测量，风轮转速n可以用测速仪或测速传感器进行测量。风洞试验时，为了得到准确的结果，要对风洞试验数据进行洞壁干扰修正，主要是阻塞效应的修正。可以采用壁压信息矩阵法。②风机风轮载荷试验目的主要是测量叶片根部处挥舞方向和摆振方向的弯矩以及作用在风轮上的空气动力和力矩。叶片根部弯矩可以用一

7、台位于叶片和轮毂之间的二分量应变天平进行测量；叶片根部弯矩随叶片方位角变化，还要用角度传感器同步测量叶片的方位角。风轮上的空气动力和力矩可以用一台位于风轮模型底座和塔架之间的六分量应变天平进行测量。风洞试验数据要进行如下的处理和修正：（1）风洞试验前后，对天平信号的零漂进行测量和修正。（1）风洞试验时，在每个转速下采集风轮旋转5转的数据进行平均处理。（2）六分量应变天平测量的数据要转换到风轮旋转中心为原点的体轴坐标系。（3）对测力数据要进行洞壁干扰修正，修正方法一般可以采用“壁压信息矩阵法”。①风力机叶