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4章 风轮叶片设计 风轮叶片(简称叶片)是风电机组的核心部件之一，其设计质量对 n 基本设计过程与内容 风电机组整体及其零部件的性能和寿命有直接影响。随着风电机组容 量和叶片尺寸的不断增大，叶片外形和结构也更加复杂，且由于叶片 如图4-1所示，叶片的设计过程需要根据总体设计方案，并结合具 精度、强度和刚度要求高等特点，使叶片设计技术显得更为重要。 体的技术要求，通过系统的气动设计和结构设计，实现设计目标。 u 设计概述 风轮叶片设计理论与方法是涉及多学科交叉的问题，需要有空气 动力学、机械设计理论、结构静力学与动力学、材料学等多方面的知 识。 风轮叶片的主要设计目标包括： 良好的空气动力外形，能够充分利用风电场的风资源条件，获得尽可 能多的风能； 可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力； 合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞； 良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振 动和噪声小； 耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护； 在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降 低制造成本。 图4-1 叶片设计所涉及的内容 n 基本设计过程与内容 一般而论，叶片设计可分为空气动力学设计(以下简称气动设计) n 基本设计过程与内容 阶段和结构设计阶段。 为了讨论问题方便起见，课程仍将分别介绍叶片气动与结构设计 在气动设计阶段需要通过选择叶片几何最佳外形，实现年发电量 的基本内容。 最大的目标； 结构设计阶段需要分析选择叶片材料、结构形式和其他设计参数 ，实现叶片强度、刚度、稳定性以及动特性等目标，叶片基本设计流 程如图4-2所示。 一般情况下，设计需要首先从叶片的气动外形设计展开，然后再 根据气动设计要求进行结构设计。 但实际上，这种设计流程并不是绝对的，亦即叶片结构设计不能 也不可能完全处于从属地位。从叶片总体设计开始，往往就需要从结 构设计角度对气动方案提出修改意见，甚至不得不改变某些截面的气 图4-2 叶片基本设计流程 动外形，以获得叶片气动与结构性能的合理匹配。因此，优良的叶片 设计是在各种性能关系合理平衡的过程中形成的结果。 l 叶片气动设计的基本内容 l 叶片结构设计的基本内容 风轮叶片开发的首要任务是进行气动设计，设计内容主要包括气 叶片的结构设计需要依据有关设计标准，应使其具有足够的强度 动外形的设计和气动性能分析计算等。 叶片的气动设计过程，首先要根据风电机组的总体性能要求确定 和刚度，保证叶片在寿命期内规定的使用环境下不发生破坏。 叶片的初始参数，包括风轮直径D(叶片长度L)、叶片数B 、风轮转 如图4-3所示，叶片结构设计的主要内容涉及计算叶片载荷、叶片 、叶尖速比λ、翼型数据以及外部条件( 额定风 和风速范围等) 材料的选择、总体结构形式、叶根设计、叶片铺层设计等，同时需要 。 根据载荷条件，对叶片结构进行强度、刚度和稳定性等方面的详细设 气动设计的主要任务是确定叶片的气动外形，应用空气动力学基 计和校核。 础理论并结合叶片的结构和工艺要求，形成沿叶片展向的截面形状。 气动设计的基本思想是主要考虑叶片的各剖面叶素输出功率最大的外 形设计原则。 气动外形设计过程应用的理论基础，不仅涉及 2章介绍的基本 空气动力学原理， 贝茨理论和叶素-动量等理论，在本章还将结合 具体问题，讨论其他的一些相关设计理论和方