复合材料结构设计课设风机叶片设计说明书模板_课件.docVIP

南 京 工 程 学 院 设计说明书 名称 复合材料力学与结构设计 题 目： 姓 名： 学 号： 学院（系、部）： 班 级： 设计地点： 2016年 月 课程设计 设计题目 技术参数 设计任务 工作计划与进度安排 目录 一、前言 3 1.1风力机的概述 3 1.2风力机叶片的特点 3 1.3风力发电机叶片结构 4 1.4研究目的及意义 4 二、风机叶片气动外形设计 5 2.1风力机运行风速及额定功率的设定 6 2.2风轮直径 6 2.3叶片数 6 2.4叶尖速比和设计转速 6 2.5叶片几何外形布置 7 三、叶片结构设计 10 四、叶片铺层设计 12 五、附件设计 15 六、叶片强度校核 16 6.1叶片的空气动力计算 16 6.2气动扭矩计算 16 6.3气动弯矩的计算 17 6.4离心扭转力矩计算 17 6.5应力计算 17 6.6叶片挠度计算 18 6.7叶片质量及刚度计算 18 6.8结论 19 七、 参考文献 20  一、前言从结构上讲，叶片可大致分为四个部分，见1-2图：蒙皮；腹板；主梁；叶根。其中蒙皮采用夹芯结构，中间层是聚氯乙烯泡沫，上下表面层为玻璃纤维增强材料。面层由单向和±45°玻璃纤维布层组成。单向层可选用单向玻璃纤维和单向织物铺设，一般用7:1 或 4:1 的比例进行玻璃纤维布的铺设，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力。为简化成型工艺，可不用±45°玻璃纤维布层，而采用 1:1 玻璃纤维布，均沿轴向铺设，以承受主要由扭矩产生的剪切应力，一般铺放在单向层外侧。腹板的结构形式也是夹芯结构。但是，在蒙皮与腹板的结合部位，即主梁处必须是实心玻璃纤维增强结构。这是因为此部分腹板与蒙皮相互作用，应力较大，必须保证蒙皮的强度和刚度。叶根位于整支叶片的根端，由上百层的三向玻璃纤维布组成，对叶片的结构同样起着至关重要的作用。 1.4研究目的及意义 复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风机叶片上的应用。风机叶片是风力机的关健部件之一，承受着复杂的空气动力、惯性力和离心力。其制造成本在总成本中所占比重最大，为15%-20%。风机叶片应具有较好的捕风能力、足够的强度和刚度以及稳定性，能够承受极限风速的考验。因此它的设计和分析就显得举足轻重。风机叶片应按最佳设计点设计才能最大限度地利用风能，这对增加风机发电量，提高风电经济效益有着重要意义。 二、风机叶片气动外形设计 风机叶片气动外形设计内容核也包括:风机风轮的直径D的设计计算,叶片数量B的确定,选取叶片各叶素截面气动翼型,各叶片叶素截面的弦长C和安装角B的确定。风机叶片结构外形设计的基本步骤如图2-1所示。 图2.1 设计思路 2.1风力机运行风速及额定功率的设定 江苏南通市如东县海岸线西北东南走向，拥有100万亩滩涂和6000平方公里海域，风力资源丰富，年可利用小时在2000小时以上。该地区平均风速11.67m/s，设计额定功率为1MW的风机。 2.2风轮直径 风机功率与风轮直径、风速、风能利用系数有如下关系： 由此推得风轮直径为： 式中：P为风机输出功率,P=106 W；V为设定额定风速，V=11.67m/s；ρ为空气密度，取1.25kg/m3；Cp为风能利用系数，Cp=0.44。 3叶片风力发电机的运行和输出功率比较平稳，同时也具有很好的旋转特性及视觉效果，采用3叶片 2.4叶尖速比和设计转速 叶尖速比为叶片尖端的线速度与风速之比。对于高速风轮来说，尖速比在6-8的范围内会有较高的风能利用系数。本文取λ0=7，由叶尖速比的定义可以确定转速 其中v=11.67m/s，λ0=7，r0=27m，n0=29r/min. 2.5叶片几何外形布置 采用 Wilson 设计理论对弦长C、叶片的安装角β进行计算。Wilson理论引入了叶尖损失，考虑了叶片翼型阻力对叶片最佳性能的影响，是目前最常用的设计理论。具体公式如下： 式中: F 为叶尖损失； f 为叶尖损失系数； a为轴向诱导系数； aˊ为切向诱导系数； ?为相对风速来流角； α为翼型最佳攻角; β为扭角; CL为升力系数；B为叶片数；C为叶片截面弦长；V为风速；vˊ为切向风速；λ为速比系数；λ0为速尖比；R为叶尖半径。 当dCp/dλ达到最大时，Cp取值最大。风机叶片设计可归结为通过目标函数与约束条件求解最优化问题。解出α、aˊ、F，继而优化计算出各截面的安装角及弦长。 通过Matlab计算，表2-1中给出了叶片几何外形具体的布置情况，包括叶