題目：兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片設(shè)計及改進(jìn)目錄摘要 3Abstract 4第1章緒論 61.1課題研究的背景 61.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.2.1風(fēng)力機(jī)葉片翼型的研究現(xiàn)狀 71.2.2風(fēng)力機(jī)葉片氣動設(shè)計 71.3主要研究內(nèi)容 8第2章風(fēng)力機(jī)葉片相關(guān)理論 92.1葉素動量理論(BEM理論) 92.2貝茨極限 102.3簡化的顫振理論 122.4小結(jié) 13第3章葉片氣動外形設(shè)計 143.1.翼型的幾何定義 143.2葉片氣動參數(shù)的確定 143.3翼型的選擇 173.4葉片葉素的創(chuàng)建 183.5利用UG建模 18第4章葉片流場分析 214.1CFD簡介 214.2葉片流場分析結(jié)果 224.2.1葉片表面風(fēng)壓分布 224.2.2葉片表面流速分布 244.3葉片截面流場分析 264.3.1風(fēng)速為12m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布 274.3.2風(fēng)速為24m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布 294.3.3風(fēng)速為64m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布 324.3.4風(fēng)速為12m/s時葉片分段截面表面速度分布 344.3.5風(fēng)速為24m/s時葉片分段截面表面速度分布 374.3.6風(fēng)速為64m/s時葉片分段截面表面速度分布 394.4經(jīng)濟(jì)分析 424.5改進(jìn)意見 42第五章結(jié)論 43參考文獻(xiàn) 45致謝 47

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片設(shè)計與改進(jìn)摘要：風(fēng)能作為一種清潔無公害的可再生能源，且其在地球上的儲量巨大，使用風(fēng)能發(fā)電效益極大，因此，它正日漸成為各國爭相開發(fā)利用的新型能源。為了實現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。風(fēng)力機(jī)葉片是否設(shè)計優(yōu)良、質(zhì)量是否恰當(dāng)、性能能否滿足要求，這些都直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能穩(wěn)定安全運(yùn)行?；谝陨侠碛?，對葉片的設(shè)計和制造要求非常之高，因此設(shè)計之后對其進(jìn)行仿真流場分析，對其進(jìn)行不同工況下的風(fēng)載計算，非常有必要。本文以研究2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片為主，進(jìn)行了它的氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模，并對其進(jìn)行了仿真流場分析，最后在總結(jié)過后適當(dāng)提出改進(jìn)意見。論文完成的主要工作如下：了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其葉片的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握豐富的理論知識，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片有一定的了解，為后續(xù)進(jìn)行葉片氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計打下基礎(chǔ)。選擇合理的翼型進(jìn)行葉片的氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計，并使用UG三維建模軟件完成葉片的三維建模，為后續(xù)進(jìn)行葉片流場分析打下基礎(chǔ)。使用CFD軟件Fluent對葉片進(jìn)行流場分析，分析葉片在三種不同工況下的壓力分布：正常工況，危險工況以及極限工況,并選取葉片三個不同截面對其進(jìn)行二維流場分析，對流場分析結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，最后提出一些適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)建議。總結(jié)全文，分析所得的收獲，并提出展望。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片；氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計；流場分析；優(yōu)化設(shè)計。

DesignandImprovementofWindTurbineBladeforMWWindTurbineAbstract:Windenergyasacleanandpollution-freeclassrenewableenergy,anditshugereservesontheearth,theuseofwindpowergenerationefficiencyisgreat,soitisincreasinglybecominganewtypeofenergycompetingfordevelopmentandutilization.Inordertorealizetheconversionofwindenergytoelectricenergy,windturbinecameintobeing.Whetherthewindturbinebladeiswelldesigned,whetherthequalityisappropriate,andwhethertheperformancecanmeettherequirementsdirectlyaffectwhetherthewindturbinecanoperatestablyandsafely.Basedontheabovereasons,thebladedesignandmanufacturingrequirementsareveryhigh,soitisnecessarytocarryoutsimulationflowfieldanalysisafterdesign,andcalculatethewindloadunderdifferentworkingconditions.Basedon2MWwindturbineblades,theaerodynamicstructuredesignand3Dmodelingarecarriedout,andthesimulationflowfieldisanalyzed.Themainworkaccomplishedinthispaperisasfollows:1.understandthecurrentsituationofwindturbineanditsblades,masterrichtheoreticalknowledge,haveacertainunderstandingofwindturbinebladesofwindturbine,andlaythefoundationforthesubsequentdesignofbladepneumaticstructure.2.selectreasonableairfoiltodesigntheaerodynamicstructureoftheblade,anduseUG3Dmodelingsoftwaretocompletethe3Dmodelingoftheblade,whichlaysthefoundationforthesubsequentbladeflowfieldanalysis.3.useCFDsoftwareFluenttoanalyzetheflowfieldoftheblade,analyzethepressuredistributionofthebladeunderthreedifferentworkingconditions:normalworkingcondition,dangerousworkingconditionandlimitworkingcondition,andselectthreedifferentsectionsofthebladetoanalyzethetwo-dimensionalflowfield,analyzetheresultsoftheflowfieldanalysis,drawaconclusion,andfinallyputforwardsomeappropriatesuggestionsforimprovement.4.summarizethefulltext,analyzethegainsandputforwardtheoutlook.Keywords:Windturbineblade;Aerodynamicstructuredesign;Flowfieldanalysis;Optimizationdesign.

第1章緒論1.1課題研究的背景縱觀我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展歷程，可以看到我國風(fēng)力發(fā)電得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，總裝機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，接著再把機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風(fēng)力發(fā)電不需要使用燃料，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染[1]。在此過程中,將提高我國的風(fēng)電技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，使風(fēng)電成為具有較強(qiáng)國際競爭力的重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)[2]。風(fēng)力機(jī)主要是由風(fēng)輪機(jī)、傳動系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的，他是依靠自然風(fēng)力來產(chǎn)生動力的一種特殊葉輪機(jī)械。風(fēng)輪機(jī)由葉片和輪轂組成。通常一臺發(fā)電機(jī)會有三支葉片，葉片是由復(fù)合材料制成的一種薄殼結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上分為根部、外殼、龍骨三個部分。葉片的類型多種，有尖頭、平頭、鉤頭、帶襟翼的尖部等。為了實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行，對葉片的設(shè)計、質(zhì)量和性能都有很高的要求。除了采用創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)和新型材料來降低葉片重量和提高其剛度外，發(fā)展更加精確的動力學(xué)模型和高精度氣動彈性計算技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測葉片的結(jié)構(gòu)和氣動特性，以降低因模型不確定性而引入的冗余設(shè)計量，降低葉片重量和機(jī)組載荷，是目前大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計的關(guān)鍵[3]。本文以研究2MW風(fēng)力機(jī)葉片為主，進(jìn)行了它的氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模，并對其進(jìn)行了仿真流場分析，最后適當(dāng)提出一些改進(jìn)意見。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)是一種完全環(huán)保的能源，不會對大自然產(chǎn)生任何危害。采用這種方式發(fā)電對環(huán)境非常友好，同時可以創(chuàng)造出更多的能量，因此相較于其他能源來說更加優(yōu)越，也有越來越多的國家更加重視風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)能是可再生能源，而且無公害很清潔，逐漸在全世界得到廣泛使用。地球上的風(fēng)能儲藏豐富，其總量大概是2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×10在很久以前，人們就發(fā)現(xiàn)風(fēng)隱藏著巨大的能量，在這個階段，他們制造了風(fēng)車，借此來完成一些生活上的輔助，例如灌溉農(nóng)田等；而現(xiàn)在，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人們對于風(fēng)的野心越來越大，并逐漸將目光轉(zhuǎn)向了發(fā)電行業(yè)，一定速度前進(jìn)的風(fēng)吹在靜止的風(fēng)力機(jī)葉片上做功并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)變成電能[4]。1.2.1風(fēng)力機(jī)葉片翼型的研究現(xiàn)狀在風(fēng)電發(fā)展早期，人們還沒有生產(chǎn)出屬于風(fēng)力機(jī)葉片的專屬翼型，因此一般采用傳統(tǒng)的航空翼型。然而因為風(fēng)力機(jī)與飛機(jī)工作環(huán)境的不同，其周圍空氣流動的狀況也不同，使用航空翼型不能完全發(fā)揮其的性能，使效益大大降低。為此，美國和歐洲陸續(xù)開展了風(fēng)力機(jī)專用翼型的研究，發(fā)展了各自的風(fēng)力機(jī)翼型，主要有美國的NREL-S系列、荷蘭的DU系列和瑞典的FFA-W系列翼型[8]。利用FLUENT軟件計算最大相對厚度較小的風(fēng)力機(jī)翼型的吸力面和應(yīng)力面上沿來流X方向的切向力，找到了吸力面邊界層分離點(diǎn)，以此點(diǎn)對翼型吸力面后緣點(diǎn)適當(dāng)加厚。王菲等[9]建立預(yù)測翼型氣動特性的理論模型，研究翼型厚度對翼型升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比和流場、應(yīng)力系數(shù)的影響。葉片的翼型要使整個葉片的效率比e(升阻比)最大，也要滿足正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通常，薄曲線翼型的雷諾數(shù)約為104，而相對厚的翼型NACA的雷諾數(shù)取值一般在105-106的范圍內(nèi)[10]。1.2.2風(fēng)力機(jī)葉片氣動設(shè)計葉片在風(fēng)力機(jī)中至關(guān)重要。葉片的結(jié)構(gòu)很大,它承受風(fēng)力載荷,又在地球引力場中運(yùn)動,其重力變化相當(dāng)復(fù)雜，葉片設(shè)計涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛,需要滿足一些要求,而優(yōu)良的葉片設(shè)計就是在這些要求中找到一個最優(yōu)組合[11]。葉片的氣動外形設(shè)計與優(yōu)化依賴于輸入的氣動載荷，故對葉片進(jìn)行精確動力學(xué)特性分析與控制需基于高精度的氣動性能計算。目前,國內(nèi)對風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究相對較少,主要集中在沈陽工業(yè)大學(xué)、汕頭大學(xué)、上海玻璃鋼研究院等[12]。目前來說，風(fēng)力機(jī)氣動特性計算的主要方法有葉素動量(BEM)方法、渦尾跡方法和計算流體動力學(xué)(CFD)方法等[13]。BEM方法是以一維動量理論和二維葉素動量理論為基礎(chǔ)，利用二維翼型的實驗升阻力系數(shù)，通過引入軸向和切向誘導(dǎo)因子來進(jìn)行計算，由于不需要進(jìn)行流場的三維網(wǎng)格劃分，計算時間大大縮短[14]。在計算時，它不是對葉片整體進(jìn)行計算，而是將其分成多個截面，分別計算，簡化了葉片流場分析時葉片模型的融合。因此，BEM方法在目前工程設(shè)計中廣受好評。然而風(fēng)力機(jī)葉片工作的環(huán)境復(fù)雜，空氣流動速度不會持續(xù)穩(wěn)定，一旦風(fēng)速超過其工作的額定風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)葉片就會出現(xiàn)失速現(xiàn)象，影響性能。Martinez等[15]針對這類狀況改進(jìn)了BEM方法，考慮了失速情況的影響，并對風(fēng)力機(jī)的功率曲線做了預(yù)測。Song[16]利用葉素動量理論設(shè)計了1MW風(fēng)力機(jī)葉片，并使用車載平臺對所設(shè)計的俯仰角進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)螺距角的選擇對轉(zhuǎn)子的起動性能有很大影響，且理論和實驗結(jié)果吻合較好。Kosasih和Dicke[17]將BEM理論模型與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時間相結(jié)合，對風(fēng)力機(jī)葉片性能進(jìn)行分析，并采用最優(yōu)控制，實現(xiàn)了在襟翼的彎矩標(biāo)準(zhǔn)偏差減少21.59%。Yang等[18]將BEM理論與Airfoil數(shù)據(jù)相結(jié)合來分析風(fēng)力機(jī)葉片的氣彈穩(wěn)定性能，結(jié)果表明，結(jié)合CFD得到的Airfoil數(shù)據(jù)更滿足實驗要求。渦尾跡方法的核心思想是將風(fēng)力機(jī)三維流場中的渦量分布簡化為集中分布的線渦和面渦等形式，配合以剛性尾渦或自由尾渦模型進(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動性能的計算[19]。特別是其中的三維面元模型，在給出較為精確的氣動力的同時，計算量也不會明顯增加，是未來葉片氣動特性計算研究的重要方向[19]。1.3主要研究內(nèi)容本文以研究2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片為主，進(jìn)行了它的氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模，并對其進(jìn)行了仿真流場分析。首先介紹了風(fēng)力機(jī)葉片氣動設(shè)計的基本理論、翼型的幾何意義以及葉片翼型的選擇。比較了葉片設(shè)計模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為后繼的葉片設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。其次，利用Profili軟件得到翼型文件，以及該翼型的升阻系數(shù)。確定葉片的基本氣動參數(shù)，并計算葉片的具體參數(shù)。第三，Profili軟件得到翼型曲線，利用UG軟件建立葉片的實體模型，再使用FLUENT進(jìn)行了葉片的數(shù)值研究。最后，對葉片進(jìn)行流場分析，分別進(jìn)行三種不同工況下的流場分析，并分別選取三個不同位置的截面對葉片進(jìn)行二維流場分析，得出結(jié)果后分析葉片表面風(fēng)載，總結(jié)結(jié)果。

第2章風(fēng)力機(jī)葉片相關(guān)理論葉片的氣動設(shè)計是使葉片滿足氣動性能設(shè)計要求，是葉片使用的基礎(chǔ)。研究葉片氣動設(shè)計的關(guān)鍵是如何計算作用在葉片上的氣動力和選擇合適的翼型。下面主要介紹葉片氣動設(shè)計的理論基礎(chǔ)，比較葉片設(shè)計參數(shù)計算常用的幾種氣動設(shè)計理論，列出葉片翼型選擇的方法，為后繼的葉片設(shè)計做準(zhǔn)備。葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化依賴于輸入的氣動載荷，故對葉片進(jìn)行精確動力學(xué)分析與控制需基于高精度的氣動性能計算。目前風(fēng)力機(jī)葉片基本設(shè)計理論有葉素-動量理論(BEM理論)、貝茨極限、以及顫振理論，下面就詳細(xì)介紹一下這三種理論。2.1葉素動量理論(BEM理論)該方法主要是結(jié)合動量理論和葉素理論。動量理論主要是闡述作用在風(fēng)輪上的力與來流速度間的關(guān)系，計算風(fēng)機(jī)可以從風(fēng)能中獲取風(fēng)能而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的多少[20]；BEM理論基本假設(shè)：葉素上因風(fēng)所受的載荷力之和與葉素所在的圓環(huán)上的流體的動量變換相關(guān)[20]。圖2-1葉素上的氣流速度三角形圖2-1中，D為阻力；L為升力；Fn為軸向力；Ft為切向力；vx0為軸向速度；vy0為切向速度；vx為風(fēng)輪上游遠(yuǎn)方風(fēng)速，vy為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；v0為風(fēng)輪處氣流相對速度；a為葉片軸向誘導(dǎo)因子；b是葉片周向誘導(dǎo)因子；α為攻角；?為扭轉(zhuǎn)角；φdT=4πρVdM=4πρΩ由葉素理論可得式(2-3)和式(2-4)dT=1dM=1式中，B為葉片數(shù)，Cn為法向力系數(shù)；C由式(2-1)和(2-3)可得式(2-5)a1?a式中，σ=Bc由圖2-1所示速度三角形可得式(2-7)和式(2-8)sin?cos?式中，?為葉片的攻角。將式(2-7)和式(2-8)代入式(2-5)中可以得到式(2-9)和式(2-10)a1?ab1?a將式(2-7)和式(2-8)代入式(2-10)中可以得到式(2-11)b1?b2.2貝茨極限貝茨理論是假設(shè)風(fēng)力機(jī)是理想的，能夠接受全部的風(fēng)能且擁有無限多的葉片，氣流通過葉片時沒有阻力。氣流是不可壓縮的均勻定常流，將風(fēng)力機(jī)簡化為一個槳盤，且槳盤上沒有摩擦力，風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜應(yīng)相等，考慮的一種理想的情況[22]。圖2-2風(fēng)輪流動的單元流管模型將一維動量方程用于圖2-2中風(fēng)輪上的軸向力F為式(2-12)和式(2-13)F=m×(Vm=ρVA(2-13)其中V1為距風(fēng)力機(jī)一定距離的上游風(fēng)速，V2為葉片后尾流速度，V為通過風(fēng)輪的實際風(fēng)速，由式(2-12)和式(2-13)可得式(2-14)F=ρAV(V風(fēng)輪所接受的功率為式(2-15)P=Fv=ρsv經(jīng)過風(fēng)輪葉片的動能轉(zhuǎn)化式(2-16)V=V定義軸向的誘導(dǎo)因子a=VaV1,V=VV2根據(jù)能量方程，葉片吸收的能量等于風(fēng)能前后氣流動能之差，則得到式(2-19)?T=1將式(2-17)和式(2-18)代入式(2-19)中可以得到式(2-20)P=aρAV當(dāng)dPda時，則P出現(xiàn)極值，求解后得a=1和a=1/3,因為a<1/2,所以只取a=1/3。而當(dāng)d2Pmax定義風(fēng)輪功率系數(shù)CPCP將P代入可得CP因此，當(dāng)a=1/3時，風(fēng)力機(jī)葉片的功率系數(shù)最大，CP≈0.593這個值則為貝茨極限，即貝茨理論。這說明風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中能攝取2.3簡化的顫振理論主要考慮典型的二元翼型在氣流中的振動[23],如圖2-3所示。圖2-3典型的二元翼型翼型的運(yùn)動方程為式(2-25)m即m?式中，Sα為翼型對剛心的靜矩，Sα=mσ;按定常氣動力理論可得式(2-27)L=1式中S為翼型的平面面積，且q=1則運(yùn)動方程(2-26)可轉(zhuǎn)化為式(2-28)m?求解式（2-28）可得式(2-29)?=?式中，λ是待求的常數(shù)，可能是復(fù)數(shù)λ=ζ+iω,ζ對于式(2-29)所解得的結(jié)果，可有下列三種情況：ζ＜0，則eλt=表明運(yùn)動是衰減運(yùn)動，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。ζ=0，則eλtζ＞0，表明運(yùn)動是發(fā)散的，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。將式（2-29）代入式（2-28）中可以得到式(2-31)mλ2.4小結(jié)本章簡單介紹了國內(nèi)風(fēng)電技術(shù)的現(xiàn)狀以及風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展趨勢和前景，并簡單闡述了風(fēng)力機(jī)葉片氣動設(shè)計的基本理論，包括葉素動量理論(BEM理論)、貝茨極限和簡化的顫振理論。

第3章葉片氣動外形設(shè)計風(fēng)輪機(jī)葉片的幾何型線不同，空氣動力特性也不同，發(fā)電量也不同，葉片的設(shè)計要求要有高效地接受風(fēng)能的翼型、合理的安裝角、科學(xué)的升阻比、尖速比和葉片型線扭曲[24]。因此在整臺風(fēng)力機(jī)設(shè)計環(huán)節(jié)中，最關(guān)鍵的當(dāng)屬風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計。3.1.翼型的幾何定義風(fēng)力機(jī)葉片是由翼型系列組成的，一般來說，在葉片尖部，采用薄翼型以滿足高升阻比的要求，其根部則采用相同翼型或較大升力翼型的較厚模式，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求[25]。下圖為翼型的幾何參數(shù)和氣流角。圖3-1翼型的幾何參數(shù)和氣流角B點(diǎn)為后緣(Trailingedge);A點(diǎn)為前緣(Leadingedge)，它是距后緣最遠(yuǎn)的點(diǎn);L為翼型弦長，是兩端點(diǎn)A、B連線方向上翼型的最大長度；C為最大厚度，是弦長法線方向上翼型的最大厚度；C,為翼型相對厚度，C,翼型中線為從前緣點(diǎn)開始，與上、下表面相切的諸圓圓心的連線，一般是曲線；f為翼型中線最大彎度；f,為翼型相對彎度，f,i為攻角，是來流速度方向與弦線間的夾角；θ0θ為升力角，來流方向與零升力線之間的夾角i=θ+此處θ0是負(fù)值，θ和i3.2葉片氣動參數(shù)的確定本次設(shè)計中葉片的基本參數(shù)如下：①風(fēng)機(jī)輸出功率：2MW;②風(fēng)能利用系數(shù)：0.4；(由動量定理和動能轉(zhuǎn)化公式可以計算得出,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到59.3%,但一般設(shè)計時根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片翼型、功率等情況,取0.25-0.45[26]。③風(fēng)力機(jī)效率：0.35；④風(fēng)輪起始風(fēng)速：3m/s；⑤額定風(fēng)速：12m/s；⑥停機(jī)風(fēng)速:20m/s；⑦風(fēng)輪掃略面積：S=Neηkv3CaCt=5.428m2(⑧風(fēng)輪直徑等于2s⑨尖速比：λ=6；(現(xiàn)代風(fēng)機(jī)一般選用高的尖速比，范圍通常為5～8[28]，故本文選擇尖速比為6)。⑩葉片數(shù)目為3；?確定每片葉片面積Sy=k,k?風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n=60vλ葉片在結(jié)構(gòu)上為大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計的葉片材料選擇復(fù)合材料玻璃鋼，其參數(shù)如下表所示。表3-1材料參數(shù)展向彈性模量E剪切彈性模量G密度ρ（kg/m泊松比μ1.96×2.5×19500.15風(fēng)力機(jī)葉片截面形狀復(fù)雜，葉片沿展向從葉根到葉尖為扭曲形狀，不同截面處翼型弦長和扭轉(zhuǎn)角不同，用一個確定的函數(shù)來表達(dá)其曲面外表比較困難，所以在進(jìn)行葉片展向設(shè)計時，是把葉片劃分成若干截面來設(shè)計[29-30]。(1)整理葉片的基本參數(shù)如表3-2和表3-3所示。(2)葉片不同半徑ri處的尖速比λi：由公式(3)葉片不同半徑ri處的尖速比對應(yīng)的相對迎風(fēng)角φi：查文獻(xiàn)可得[27](4)葉片不同半徑ri處的葉片形狀參數(shù)CCi:查文獻(xiàn)可得[27]，見表3-2；(葉片不同半徑ri處的相對迎風(fēng)角φi和葉片形狀參數(shù)CCi與尖速比λi之間的關(guān)系是：尖速比λi表3-2葉片基本參數(shù)一表風(fēng)機(jī)輸出功率風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)力機(jī)效率風(fēng)輪起始功率額定風(fēng)速停機(jī)風(fēng)速2MW0.40.353m/s12m/s20m/s表3-3葉片基本參數(shù)二表風(fēng)輪掃略面積風(fēng)輪直徑尖速比葉片數(shù)每片葉片面積風(fēng)輪轉(zhuǎn)速5.428m83.15m63108.56m16.5r/min表3-4葉片的具體參數(shù)riλφLiCθ14150065.218500.13-2.982377275.54545.820700.16-2.38333953.94.90907.623300.20-0.58430181.64.36368.524900.240.32526409.23.81829.826300.291.62622636.23.272711.529600.383.32718863.12.727213.534400.505.32815090.82.181815.538900.758.32911318.41.636421.544701.1512.32107545.41.09092851902.019.821137730.54553225902.023.82(5)不同半徑ri處的葉片弦長Li：由公式Li=ri×CCiCL(6)升力曲線平均斜率KL=CL,max?CL0αL,max?α0；其中C(7)葉片的展弦長RZ(8)葉片的平均迎角αm(9)葉片不同半徑處的葉片翼型安裝角θi(10)驗算葉片面積Sy，條件SLm(R?r葉片面積符合要求，確定葉片個數(shù)為3，選擇葉片葉素11個。通過上述的參數(shù)計算，可知葉片的幾何形狀和安裝角已經(jīng)確定，具體的參數(shù)如表3-3所示。3.3翼型的選擇結(jié)合目前適用于風(fēng)力機(jī)葉片的新型翼型，我選擇了翼型NACA4412，該翼型的最大厚度為12.02%，在30.0%的翼弦；最大曲面為4.00%，在40.0%的翼弦。如下圖所示。圖3-2翼型NACA4412的基本參數(shù)翼型NACA4412的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd、升阻比Cl/Cd以及俯仰力矩系數(shù)Cm與與迎角α圖3-3升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd與迎角圖3-4升阻比Cl/Cd和俯仰力矩系數(shù)3.4葉片葉素的創(chuàng)建利用軟件profili生成葉片葉素，選擇翼型NACA4412。具體操作為：打開翼型軟件profili，在翼型數(shù)據(jù)庫中搜索翼型NACA4412，選中該翼型并點(diǎn)擊開始用所選翼型打印翼肋或模板，在彈出來的窗口中修改翼型的弦長為Li，點(diǎn)擊完成。點(diǎn)擊打印，選擇輸出選定翼面為.dxf文件，由此得到葉片葉素。重復(fù)上述操作，即可得到11個葉片葉素。以L圖3-5翼弦長度為L13.5利用UG建模首先將葉素曲線導(dǎo)入到UG中，具體操作為：打開UG，點(diǎn)擊文件下的導(dǎo)入，選擇AutoCADDXF/DWG，點(diǎn)擊確定。通過上述計算，將導(dǎo)入的每個葉素按ri的距離分展開來，具體操作為：右鍵點(diǎn)擊導(dǎo)入的圖片，點(diǎn)擊變換，選擇平移(注意：有的UG版本中平移這個選項被隱藏了找不到，此時需要在系統(tǒng)環(huán)境變量中新增一個變量，該變量為UGII_ENABLE_TRANSFORM_LEGACY_OPTIONS，變量值為1)選擇增量，在DZC處輸入ri，點(diǎn)擊確定；再將每個葉素按Z軸旋轉(zhuǎn)圖3-6葉片葉素分布圖圖3-7Z向葉素截面疊加圖最后通過UG里面的曲線組命令依次選取各個葉素，得到葉片實體，具體操作為：點(diǎn)擊UG工具欄“曲面”里的“通過曲線組”，選擇曲線或點(diǎn)為第一個葉素，再點(diǎn)擊添加新集依次選取剩下的10個葉素，注意要使選擇曲面的箭頭方向和翼型曲線切線方向一致，添加所有的葉素后可以通過預(yù)覽查看模型是否有誤，如果無誤，點(diǎn)擊確定即可得到葉片的實體模型[32]，葉片實體模型可以在圖3-8中看到。圖3-8葉片實體模型圖

第4章葉片流場分析我們希望得到葉片在工作狀態(tài)下的風(fēng)壓分布及其相對速度的分布，為了得到可能貼合實際的結(jié)果，有必要對葉片進(jìn)行流場分析。而經(jīng)典理論的解析方法比較適合于簡單的材料和結(jié)構(gòu)，對于葉片這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來說，其精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需另擇一種方法來做計算的工作，查看了其他的方法之后，我們發(fā)現(xiàn)有限單元法正好能符合我們的要求。有限單元法可以快速而有效的完成以上計算工作,為葉片的結(jié)構(gòu)分析提供了一種簡便有效的方法[33-34]。4.1CFD簡介計算流體動力學(xué)(簡稱CFD)是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析[34]。CFD方法的思想是把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[35]。圖4-1即為其具體的求解過程。圖4-1CFD工作流程圖4.2葉片流場分析結(jié)果求解三種工況下的葉片表面風(fēng)壓與速度：一是正常工作工況，即風(fēng)速為葉片額定風(fēng)速時葉片的工作狀態(tài)，此時v=12m/s；二是危險狀態(tài)工況，葉片葉尖處失速，此時葉片周圍空氣氣流高速流動，使葉片高速旋轉(zhuǎn)，定義此時風(fēng)速v=24m/s；三是極限狀態(tài)工況，即葉片已然停止工作，靜止不動，卻遭遇大風(fēng)被強(qiáng)行推動旋轉(zhuǎn)，定義此時風(fēng)速v=64m/s。本文將采用FLUENT軟件對以上三種工況下的葉片風(fēng)壓載荷進(jìn)行數(shù)值計算，結(jié)果如下。4.2.1葉片表面風(fēng)壓分布(1)風(fēng)速為12m/s時葉片表面風(fēng)壓分布如下圖所示。圖4-2風(fēng)速為12m/s時葉片上風(fēng)壓分布由圖可知，葉片迎風(fēng)面基本為正壓，為壓力面，葉片背風(fēng)面基本為負(fù)壓，為吸力面，兩面存在的壓強(qiáng)差會對葉片產(chǎn)生升力，從而使葉片旋轉(zhuǎn)。在葉尖部約0.75R-0.95R處，迎風(fēng)面產(chǎn)生最大壓力，背風(fēng)面產(chǎn)生最小壓力，其中最大風(fēng)壓分布在葉片的迎風(fēng)面，最大為120.584Pa；最小風(fēng)壓分布在葉片的背風(fēng)面，最小值為-542.014Pa，所以該位置可以提供更多的升力，氣動性能較好。而背風(fēng)面以翼型前中部為負(fù)壓中心往外擴(kuò)散，翼型前緣為高壓區(qū)，隨著半徑增加，迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力差逐漸增大，氣流產(chǎn)生的升力也越來越多。(2)風(fēng)速為24m/s時葉片表面風(fēng)壓分布如下圖所示。圖4-3風(fēng)速為24m/s時葉片的風(fēng)壓分布由圖可知，風(fēng)速為24m/s時葉片表面風(fēng)壓分布與風(fēng)速為12m/s時大致相同，同樣是葉片迎風(fēng)面基本為正壓，為壓力面，葉片背風(fēng)面基本為負(fù)壓，為吸力面，其中最大風(fēng)壓為489.834Pa，位于葉片的迎風(fēng)面；最小為-2212.28Pa，位于葉片的背風(fēng)面。(3)風(fēng)速為64m/s時葉片表面風(fēng)壓如下圖所示。圖4-4風(fēng)速為64m/s時葉片的壓力分布由圖可知，當(dāng)風(fēng)速為64m/s時，葉片表面最大風(fēng)壓為3720.7Pa，位于葉片的迎風(fēng)面；最小為-15415.8Pa，位于葉片的背風(fēng)面。由此說明葉片表面風(fēng)壓的大致分布不會隨著風(fēng)速的改變而改變，正壓和負(fù)壓的分布也基本類似；而隨著風(fēng)速的增加，葉片表面所受正壓的最大壓力也增加，所受負(fù)壓的最小負(fù)壓減小。4.2.2葉片表面流速分布(1)風(fēng)速為12m/s時葉片表面流速分布如下圖所示。圖4-5風(fēng)速為12m/s時葉片表面速度分布圖4-6風(fēng)速為12m/s時葉片上流線分布從圖中可以明顯地看出繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片半徑0.3R處周圍氣流流經(jīng)葉片表面時從前緣流向后緣，流動充分附著，屬于典型的翼型繞流；0.6R處葉片吸力面一側(cè)中部氣流有輕微的邊界層分離的跡象，但不明顯，也基本屬于翼型繞流；0.9R處，邊界層分離范圍稍微擴(kuò)散，可以看出氣流在流向后緣時出現(xiàn)的輕微擾動，有出現(xiàn)渦流的跡象?？傮w來說葉片周圍氣流沒有出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦流，葉片周圍空氣流動狀態(tài)良好，但是在葉尖部分可能會出現(xiàn)失速影響葉片捕獲風(fēng)能的效率。其中葉片表面最大相對速度為31.5641m/s；最小為0。(2)風(fēng)速為24m/s時葉片表面流速分布如下圖所示。圖4-7風(fēng)速為24m/s時葉片的速度分布從圖中仍舊可以看到繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片根部與半徑0.3R處背風(fēng)面出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象；半徑0.6R處葉片出現(xiàn)輕微擾動，可能會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，但基本還是繞流；而葉片0.9R處相對速度很大，葉尖處可能出現(xiàn)失速現(xiàn)象，葉片周圍空氣流動狀態(tài)較好，但是葉片捕獲風(fēng)能的能力和效益都將受到影響。其中葉片表面相對速度最大為61.2843m/s；最小為0。在葉片背風(fēng)面的根部和0.3R處出現(xiàn)渦流。(3)風(fēng)速為64m/s時葉片表面流速分布如下圖所示。圖4-8風(fēng)速為64m/s時葉片的速度分布從圖中可以看出葉片表面相對速度相較以上兩種工況明顯增大了不少，且葉片背風(fēng)面大面積出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，葉尖失速，葉片周圍空氣流動狀態(tài)差，葉片性能下降，捕獲風(fēng)能的能力也將下降。其中葉片表面相對速度最大為169.137m/s；最小為0。而在葉片背風(fēng)面，有多處渦流。綜上所述，經(jīng)計算所得，考慮大氣壓作用，風(fēng)壓的分布趨勢是：葉片的迎風(fēng)面整體呈現(xiàn)正壓，迎風(fēng)面風(fēng)壓主要為3880pa，在翼型前緣和后緣處壓力降低。從圖可知，馮筍越大，葉片的表面風(fēng)壓增加，其中極限載荷工況下，最大風(fēng)壓為6000Pa，背風(fēng)面主要為負(fù)壓，且負(fù)壓呈現(xiàn)從葉片中間向兩邊降低趨勢。從表面速度分布看，隨著風(fēng)速的增大，葉片表面速度也增大，其中極限狀態(tài)工況下最大速度為169.137m/s，最小為0。4.3葉片截面流場分析由于葉片為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了簡便起見，假定各個葉片分段上所受風(fēng)壓載荷沿著葉片長度方向是等值分布的，可以直接利用FLUENT軟件數(shù)值計算出每個葉片剖截面上氣壓的分布，再將該氣壓值等值的分布于該葉片的分段上，那么整個葉片上所受風(fēng)載就等于各個葉片分段受力之和。以此辦法可對比葉片分段計算所得載荷于葉片整體計算所受載荷，驗證所得結(jié)果。同樣對葉片分段進(jìn)行三種工況下的載荷計算，如4.2，分別為正常工作工況、危險狀態(tài)工況和極限狀態(tài)工況。其中，將葉片正常運(yùn)行工況指定為額定風(fēng)速下葉片正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即v=12m/s;根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),將本文中危險狀態(tài)工況指定為高風(fēng)速下葉片高速運(yùn)轉(zhuǎn),即v=24m/s;極限狀態(tài)工況指定為葉片在停機(jī)狀態(tài)下遭遇最大風(fēng)速,即v=64m/s；分別截取葉片半徑為5m處的截面、半徑為10m處的截面、半徑為20m處的截面、半徑為30m處的截面以及半徑為40m處的截面共五個截面。使用FLUENT軟件計算所得的葉片截面表面風(fēng)壓分布云圖以及速度云圖分別如下列圖片所示。4.3.1風(fēng)速為12m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布圖4-9半徑5m葉片分段上風(fēng)壓分布圖4-10半徑10m葉片分段上風(fēng)壓分布圖4-11半徑20m處葉片分段風(fēng)壓分布圖4-12半徑30m處葉片分段風(fēng)壓分布圖4-13半徑40m葉片分段風(fēng)壓分布從上述圖片可知，風(fēng)速為12m/s時，葉片迎風(fēng)面基本為正壓，背風(fēng)面基本為負(fù)壓，而且隨著半徑增加，葉片迎風(fēng)面所受正壓越來越大，所受負(fù)壓越來越小，其中最大風(fēng)壓出現(xiàn)在葉片的迎風(fēng)面，為120.6Pa，最小風(fēng)壓出現(xiàn)在葉片的背風(fēng)面，最小為-542.0Pa?？梢钥吹綇娜~片分段獲取到葉片整體的風(fēng)壓分布與葉片整體流場分析所得結(jié)果基本相同，基本沒有偏差。4.3.2風(fēng)速為24m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布圖4-14半徑5m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-15半徑10m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-16半徑20m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-17半徑30m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-18半徑40m葉片分段風(fēng)壓分布從上述圖片可知，風(fēng)速為24m/s時葉片分段上的風(fēng)壓分布趨勢與風(fēng)速為12m/s時大致相同，迎風(fēng)面基本為正壓，背風(fēng)面基本為負(fù)壓，且隨著半徑增加，迎風(fēng)面所受正壓逐漸增大，背風(fēng)面所受負(fù)壓逐漸減小，其中最大風(fēng)壓為489.8Pa，最小風(fēng)壓為-2112.0Pa，與葉片整體流場分析結(jié)果基本相同，基本沒有偏差。4.3.3風(fēng)速為64m/s時葉片分段截面表面風(fēng)壓分布圖4-19半徑5m葉片分布風(fēng)壓分布圖4-20半徑10m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-21半徑20m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-22半徑30m葉片分段風(fēng)壓分布圖4-23半徑40m葉片分段風(fēng)壓分布從上述圖片中的看到，風(fēng)速為64m/s時葉片迎風(fēng)面基本為正壓，背風(fēng)面基本為負(fù)壓，且壓力最大為3721Pa，最小為-15420Pa。所得結(jié)果與葉片整體流場分析結(jié)果基本相同，基本沒有偏差。4.3.4風(fēng)速為12m/s時葉片分段截面表面速度分布圖4-24半徑5m葉片分段上速度分布圖4-25半徑10m葉片分段上速度分布圖4-26半徑20m葉片分段速度分布圖4-27半徑30m葉片分段速度分布圖4-28半徑40m葉片分段速度分布從上述圖片可知，可以明顯地看出繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片半徑為10m處周圍氣流流經(jīng)葉片表面時從前緣流向后緣，流動充分附著，屬于典型的翼型繞流；半徑20m和30m處葉片吸力面一側(cè)中部氣流有輕微的邊界層分離的跡象，但不明顯，也基本屬于翼型繞流；半徑40m處，邊界層分離范圍稍微擴(kuò)散，可以看出氣流在流向后緣時出現(xiàn)的輕微擾動，有出現(xiàn)渦流的跡象?？傮w來說葉片周圍氣流沒有出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦流，葉片周圍空氣流動狀態(tài)良好，但是在葉尖部分可能會出現(xiàn)失速影響葉片捕獲風(fēng)能的效率。其中葉片表面最大相對速度為31.5641m/s；最小為0。此結(jié)果與葉片整體流場分析時基本相同。4.3.5風(fēng)速為24m/s時葉片分段截面表面速度分布圖4-29半徑5m葉片分段速度分布圖4-30半徑10m葉片分段速度分布圖4-31半徑20m葉片分段速度分布圖4-32半徑30m葉片分段速度分布圖4-33半徑40m葉片分段速度分布從上述圖片中仍舊可以看到繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片半徑5m、10m處背風(fēng)面出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象；半徑20m、30m處葉片出現(xiàn)輕微擾動，可能會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，但基本還是繞流；而葉片半徑40m處相對速度很大，葉尖處出現(xiàn)失速現(xiàn)象，葉片周圍空氣流動狀態(tài)較好，但是葉片捕獲風(fēng)能的能力和效益都將受到影響。其中葉片表面相對速度最大為61.2843m/s；最小為0。4.3.6風(fēng)速為64m/s時葉片分段截面表面速度分布圖4-34半徑5m葉片分段速度分布圖4-35半徑10m葉片分段速度分布圖4-36半徑20m葉片分段速度分布圖4-37半徑30m葉片分段速度分布圖4-38半徑40m葉片分段速度分布從圖中可以看出葉片表面相對速度相較以上兩種工況明顯增大了不少，且葉片背風(fēng)面大面積出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，葉尖失速，葉片周圍空氣流動狀態(tài)差，葉片性能下降，捕獲風(fēng)能的能力也將下降。其中葉片表面相對速度最大為169.137m/s；最小為0。而在葉片背風(fēng)面，有多處渦流。4.4經(jīng)濟(jì)分析本文設(shè)計的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片符合行業(yè)規(guī)范要求，滿足相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，性能良好，有一定使用價值。為滿足性能與產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性均衡，在設(shè)計開始時，對葉片進(jìn)行分析，確定性能和技術(shù)指標(biāo)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)資料進(jìn)行方案設(shè)計及仿真流場分析。在設(shè)計過程中，詳細(xì)設(shè)計，分析校核，與現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行對比改進(jìn)，使產(chǎn)品滿足工作條件的情況下，成本控制在較低水平。4.5改進(jìn)意見由于葉片為大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此葉片與輪箍連接，使葉片成懸臂梁形式，作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪箍上，因此葉根的載荷最大。葉片上的載荷通過根端結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、或玻璃鋼與金屬的膠結(jié)強(qiáng)度傳遞到輪箍上的，而玻璃鋼的這些強(qiáng)度均低于其拉彎強(qiáng)度，因而葉片的根端是危險的部位，設(shè)計時應(yīng)予以重視。大型風(fēng)力機(jī)玻璃鋼葉片根端形式主要有：金屬法蘭、預(yù)埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。目前國內(nèi)自主開發(fā)的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用預(yù)埋金屬桿根端形式。為確保根端結(jié)構(gòu)的安全可靠，須進(jìn)行金屬桿與玻璃鋼殼體結(jié)合強(qiáng)度的模擬試驗。如果膠結(jié)工藝技術(shù)高，可采用金屬法蘭與葉根復(fù)合材料柱殼膠結(jié)，減輕根部的重量，使葉片外形流暢。

第五章結(jié)論本文以研究2MW風(fēng)力機(jī)葉片為主，對葉片進(jìn)行了氣動外形設(shè)計，結(jié)合三維軟件UG及CFD軟件Fluent進(jìn)行葉片的三維建模和仿真流場分析，分析了葉片在三種不同工況下葉片的風(fēng)壓分布和速度分布，分別是：正常工作工況，即葉片在風(fēng)速為12m/s時的狀態(tài)；危險狀態(tài)工況，即葉片在24m/s時的狀態(tài)；極限狀態(tài)工況，即葉片在風(fēng)速為64m/s時的狀態(tài)。與此同時，本文還進(jìn)行了葉片分段截面的流場分析，分別分析了半徑5m、10m、20m、30m、40m處的葉片分段截面。研究發(fā)現(xiàn)：對于葉片表面風(fēng)壓分布，當(dāng)風(fēng)速為12m/s時，葉片迎風(fēng)面基本為正壓，為壓力面，葉片背風(fēng)面基本為負(fù)壓，為吸力面，兩面存在的壓強(qiáng)差會對葉片產(chǎn)生升力，從而使葉片旋轉(zhuǎn)。在葉尖部約0.75R-0.95R處，迎風(fēng)面產(chǎn)生最大壓力，背風(fēng)面產(chǎn)生最小壓力，其中最大風(fēng)壓分布在葉片的迎風(fēng)面，最大為120.584Pa；最小風(fēng)壓分布在葉片的背風(fēng)面，最小值為-542.014Pa，所以該位置可以提供更多的升力，氣動性能較好。而背風(fēng)面以翼型前中部為負(fù)壓中心往外擴(kuò)散，翼型前緣為高壓區(qū)，隨著半徑增加，迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力差逐漸增大，氣流產(chǎn)生的升力也越來越多。當(dāng)風(fēng)速為24m/s時，葉片表面風(fēng)壓分布與風(fēng)速為12m/s時大致相同，同樣是葉片迎風(fēng)面基本為正壓，為壓力面，葉片背風(fēng)面基本為負(fù)壓，為吸力面，其中最大風(fēng)壓為489.834Pa，位于葉片的迎風(fēng)面；最小為-2212.28Pa，位于葉片的背風(fēng)面。當(dāng)風(fēng)速為64m/s時，葉片表面最大風(fēng)壓為3720.7Pa，位于葉片的迎風(fēng)面；最小為-15415.8Pa，位于葉片的背風(fēng)面。由此說明葉片表面風(fēng)壓的大致分布不會隨著風(fēng)速的改變而改變，正壓和負(fù)壓的分布也基本類似；而隨著風(fēng)速的增加，葉片表面所受正壓的最大壓力也增加，所受負(fù)壓的最小負(fù)壓減小。綜上所述，可知葉片迎風(fēng)面基本為正壓，為壓力面，葉片背風(fēng)面基本為負(fù)壓，為吸力面，兩面存在的壓強(qiáng)差會對葉片產(chǎn)生升力，從而使葉片旋轉(zhuǎn)。在葉尖部約0.75R-0.95R處，迎風(fēng)面產(chǎn)生最大壓力，背風(fēng)面產(chǎn)生最小壓力。經(jīng)計算所得，考慮大氣壓作用，風(fēng)壓的分布趨勢是：葉片的迎風(fēng)面整體呈現(xiàn)正壓，迎風(fēng)面風(fēng)壓主要為3880pa，在翼型前緣和后緣處壓力降低，其中極限載荷工況下，最大風(fēng)壓為6000Pa，背風(fēng)面主要為負(fù)壓，且負(fù)壓呈現(xiàn)從葉片中間向兩邊降低趨勢。而對于葉片表面相對速度來說，當(dāng)風(fēng)速為12m/s時可以明顯地看出繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片半徑0.3R處周圍氣流流經(jīng)葉片表面時從前緣流向后緣，流動充分附著，屬于典型的翼型繞流；0.6R處葉片吸力面一側(cè)中部氣流有輕微的邊界層分離的跡象，但不明顯，也基本屬于翼型繞流；0.9R處，邊界層分離范圍稍微擴(kuò)散，可以看出氣流在流向后緣時出現(xiàn)的輕微擾動，有出現(xiàn)渦流的跡象?？傮w來說葉片周圍氣流沒有出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦流，葉片周圍空氣流動狀態(tài)良好，但是在葉尖部分可能會出現(xiàn)失速影響葉片捕獲風(fēng)能的效率。當(dāng)風(fēng)速為24m/s時，仍舊可以看到繞流現(xiàn)象，且背風(fēng)面風(fēng)速大于迎風(fēng)面風(fēng)速，隨著葉片半徑增加，相對速度逐漸增大。從圖中可以看出葉片根部與半徑0.3R處背風(fēng)面出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象；半徑0.6R處葉片出現(xiàn)輕微擾動，可能會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，但基本還是繞流；而葉片0.9R處相對速度很大，葉尖處可能出現(xiàn)失速現(xiàn)象，葉片周圍空氣流動狀態(tài)較好，但是葉片捕獲風(fēng)能的能力和效益都將受到影響。其中葉片表面相對速度最大為61.2843m/s；最小為0。在葉片背風(fēng)面的根部和0.3R處出現(xiàn)渦流。當(dāng)風(fēng)速為64m/s時，可以看出葉片表面相對速度相較以上兩種工況明顯增大了不少，且葉片背風(fēng)面大面積出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，葉尖失速，葉片周圍空氣流動狀態(tài)差，葉片性能下降，捕獲風(fēng)能的能力也將下降。其中葉片表面相對速度最大為169.137m/s；最小為0。而在葉片背風(fēng)面，有多處渦流本文所做模型只是風(fēng)力機(jī)葉片的簡化模型，對于葉片的一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)考慮不夠周全，因此可能會產(chǎn)生些許偏差。如果要實現(xiàn)葉片的精準(zhǔn)分析，需要結(jié)合葉片的實際工作環(huán)境、工藝要求和安裝要求，考慮到葉片材料選擇、氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片制造及安裝的一系列過程，建立更加精準(zhǔn)的模型。本文主要分析了葉片以及葉片分段截面(半徑5m、10m、20m、30m、40m)在三種不同工況下的風(fēng)壓分布和速度分布：正常工作工況、危險狀態(tài)工況和極限狀態(tài)工況，在后續(xù)工作中還需考慮更多參數(shù)的影響，如：葉片的材料、葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

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