风电叶片设计流程.doc

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规范和丹麦制定的DS 472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。

2.1 IEC61400-1 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
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
（4） 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。

四． 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
2． 风洞试验项目
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。
（2） 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。
（3） 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。
（4） 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”。
③ 风力机叶片压力分布试验
目的是测量叶片不同剖面处的向压力分布，并将压力分布数据换算成叶片径向载荷分布、风轮轴向力（推力）系数和风轮功率系数等叶片上测压点所感受的压力可以用安装在风轮整流罩内，与轮毂连在一起的压力扫描阀装置（包括压力传感器）进行测量。试验时， 用安装在整流罩上的总压管所感受的来流总压作为参考压力； 并选用2s时间使压力稳定，然后再对每个测压孔采集风轮旋转三周的数据，进行平均处理。
由于离心力对压力管内气体的作用，使叶片上的压力与安装在风轮旋转轴上的传感器所感受的压力之间有一定的差别，要进行离心力效应修正。
④ 风力机叶片流动显示试验
（1） 叶片表面流动显示试验
目的主要是观察叶片表面的流动分离现象，还可以观察到叶片上的三维流动和非定常流动现象等。表面流动显示的方法一般采用丝线法，通常沿叶片展向等距离布置20-30排丝线，每一排沿弦向等间距布置10个丝线点。试验时，
为拍摄流动图象，将摄像机固定在风轮传动轴上，将聚光灯安装在风轮浆毂上。叶片表面流动随叶片方位角变化而变化，还要用角度传感器同步测量叶片方位角。在进行图像分析时， 通常，在进行静止叶片模型试验时，当丝线沿弦向不排列成行时， 则可以判断流动是否发生了分离；在旋转叶片模型试验时，判据将包括一个估计丝线与弦线之间允许的最大傾角的准则。
（2） 叶片空间流动显示试验
目的主要是观察叶片尖部的旋涡运动，一般采用烟流法。
⑤ 风力机尾流效应试验
⑥ 风力机叶片气动弹性稳定性试验
⑦ 风力机控制特性试验
5.2 风场试验

风场试验时，用风力机实物在自然风况和带负荷的情况下进行长时间的测量，模拟真实。一般，风场试验的场地选择在空旷开阔、地形比较平坦、风速风向比较稳定的地区，避免周围地形和障碍物的影响。风场试验时，风力机的空气动力特性受外界环境的影响很大， 需要对试验条件进行严格的控制，以测量到能
真实反映风力机空气动力特性的数据。
从风力机认证的角度，风力机风场试验的项目包括：气象参数测量、安全和功能试验、电能品质试验、功率特性试验、噪声试验和载荷试验;从风力机研发的角度，在风电场中还需要进行流场显示试验和压力分布试验等。
1 气象参数测量
2 风力机功率特性测试
3 风力机噪声测试

4载荷测试
① 叶片根部的挥舞弯矩和摆振弯矩；
②风轮的俯仰力矩、偏航力矩和转矩；
③塔架底部两个方向的弯矩和扭矩等。