風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)載荷分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)葉片–氣動(dòng)設(shè)計(jì)和載荷分析風(fēng)機(jī)葉片–氣動(dòng)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片的外形是經(jīng)過細(xì)致的設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)付出最小的成本獲得最大的輸出效率。設(shè)計(jì)方案主要由氣動(dòng)需求決定，但經(jīng)濟(jì)決定需要設(shè)計(jì)建造成本合理的葉片外形。而且，葉片的厚度從葉尖向根部逐漸增大，因?yàn)楦恳袚?dān)最大的載荷。

風(fēng)機(jī)葉片–設(shè)計(jì)葉片設(shè)計(jì)過程起始于獲得氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)效率的最合理的平衡的評(píng)估。材料和制作工藝的選擇也會(huì)影響到最終的葉片的厚度（從而達(dá)到理想的氣動(dòng)性）。選定的氣動(dòng)外形增加了載荷，進(jìn)而被反饋到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，如果超出了結(jié)構(gòu)所能承受的范圍，氣動(dòng)外形就需要被重新修正，相應(yīng)的效率也要被重新計(jì)算。

風(fēng)機(jī)葉片–需要考量的地方

長(zhǎng)度葉片的長(zhǎng)度影響了掃風(fēng)面積，也就決定了捕風(fēng)能力。根據(jù)Betz法則實(shí)際上最多只能有一半的風(fēng)能被風(fēng)機(jī)捕獲。

氣動(dòng)部分在葉片的橫截面上可以清楚地看到葉片的氣動(dòng)外形，正是這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了推力促使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

俯視圖翼形葉片的形狀從葉根到葉尖逐漸變窄，以保證整個(gè)掃風(fēng)區(qū)域保持恒定的減速率。確保氣流不會(huì)過慢通過葉片而產(chǎn)生擾流，同時(shí)通過速度也不會(huì)過快而造成能量浪費(fèi)。

剖面厚度從尖部到根部葉片厚度逐漸增大以承擔(dān)更大的載荷和彎矩。如果載荷不是很重要的話，一般情況下厚度和弦長(zhǎng)的比值在10-15%。靠近葉片根部的平坦部分有助于提高捕風(fēng)效率。

葉片扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)因?yàn)槿~片的轉(zhuǎn)速隨著長(zhǎng)度的增加而增大，迎風(fēng)角度是隨著葉片延展連續(xù)變化的。因此為了保持葉片迎風(fēng)區(qū)域具有最佳的攻角，葉片需要被設(shè)計(jì)成扭轉(zhuǎn)形式。

葉片數(shù)量和轉(zhuǎn)速通常情況下風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速大約是風(fēng)速的7到10倍，目前的設(shè)計(jì)葉片最多為3個(gè)。轉(zhuǎn)速越高，葉片數(shù)量越多也就意味著葉片尺寸要做的更窄，更薄，從而很難保證葉片具有足夠的強(qiáng)度。而在轉(zhuǎn)速過快的時(shí)候葉片的捕風(fēng)效率也有所降低，噪音增大，更易受到環(huán)境侵蝕和飛鳥撞擊的傷害。轉(zhuǎn)速過低時(shí)捕風(fēng)效率也會(huì)降低，同時(shí)增加了施加給其他部件的軸向負(fù)荷。

槳距控制因?yàn)轱L(fēng)能資源的多變性，必須確保風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速時(shí)能夠持續(xù)產(chǎn)能，在高風(fēng)速時(shí)能夠承擔(dān)高負(fù)荷。因此在風(fēng)速超過理想風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)可以通過調(diào)整槳距以產(chǎn)出能量，并降低外部載荷，比如可以順槳迎風(fēng)而上，或者主動(dòng)停轉(zhuǎn)以遠(yuǎn)離強(qiáng)風(fēng)。

風(fēng)機(jī)葉片–復(fù)合材料設(shè)計(jì)材料和制作工藝的選擇會(huì)影響到葉片的成本及最終的葉片厚度（從而達(dá)到理想的氣動(dòng)性）。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程在如何將設(shè)計(jì)原則和制造工藝相結(jié)合工作中扮演著重要角色，必須找出可以保證高性能與低成本，同時(shí)具有最優(yōu)氣動(dòng)性的方案。

風(fēng)機(jī)葉片–制造工藝葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝緊密相關(guān)，目前葉片的制造工藝主要有預(yù)浸料工藝和灌注工藝兩種。兩者都需要生產(chǎn)出低成本高可靠性的葉片。關(guān)于兩種工藝的選擇在業(yè)界已經(jīng)爭(zhēng)論了很多年，灌注工藝成本低廉，被廣泛接受。而預(yù)浸料工藝產(chǎn)出的葉片具有更高的性能，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，質(zhì)量更加穩(wěn)定，可以進(jìn)一步降低葉片重量。葉片重量的降低也就降低了葉片本身和發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，從而進(jìn)一步降低了成本和風(fēng)機(jī)其他部件的磨損。

風(fēng)機(jī)葉片制造–材料供應(yīng)固瑞特自從1995年就已開始面向風(fēng)機(jī)葉片市場(chǎng)提供材料，以生產(chǎn)復(fù)合材料葉片，隨著葉片尺寸的加大，葉片設(shè)計(jì)也日趨復(fù)雜，固瑞特一直致力于向葉片制造商提供高性價(jià)比的先進(jìn)復(fù)合材料。固瑞特的產(chǎn)品包括了目前葉片制造的全部工藝所需的全套材料，包括了手糊成型，真空灌注和預(yù)浸料工藝。在供應(yīng)手糊樹脂的同時(shí)，我們更加關(guān)注于真空灌注和預(yù)浸料工藝技術(shù)及相關(guān)材料的開發(fā)。風(fēng)機(jī)葉片–結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)工程葉片設(shè)計(jì)過程起始于獲得氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)效率的最合理的平衡的評(píng)估。材料和制作工藝的選擇會(huì)影響到葉片的成本及最終的葉片厚度以及可以達(dá)到的理想的氣動(dòng)性。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程在如何將設(shè)計(jì)原則和制造工藝相結(jié)合工作中扮演著重要角色，必須找出可以保證高性能與低成本的最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)–流程

翼面向彎曲由于風(fēng)推力產(chǎn)生的翼面向彎曲是最早被認(rèn)知的也通常是最重要的加載形式，葉片結(jié)構(gòu)中的梁帽和腹板就是為了承擔(dān)這種載荷而設(shè)計(jì)的，如上所述設(shè)計(jì)需要在氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)效率之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，兩者都會(huì)對(duì)發(fā)電成本產(chǎn)生影響。因此設(shè)計(jì)中就需要通過研究厚度變化對(duì)發(fā)電效率和重量的影響規(guī)律，找到最優(yōu)化的厚度分布。葉片重量翼弦向的疲勞載荷取決于葉片的重量，這樣在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)迭代循環(huán)。在葉片被制造出來之前，我們無法確切知道它的重量，只能進(jìn)行估算。在得到葉片重量的較準(zhǔn)確數(shù)字后，我們會(huì)對(duì)鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以彌補(bǔ)可能的重量增加帶來的附加載荷。此時(shí)，可以通過降低材料需用應(yīng)力來解決疲勞性能的問題，在沒有疲勞測(cè)試結(jié)果的情況下GL提供了確保安全性的強(qiáng)度安全因子，在循環(huán)次數(shù)為1千萬次的情況下，玻璃纖維的安全系數(shù)是5，而碳纖維是3，。抗扭剛度在葉片基本的抗彎性能（翼面向和翼弦向）確定下來后，接下來需要考慮的就是葉殼的抗扭剛度和抗屈曲強(qiáng)度。葉根的設(shè)計(jì)要求是能夠承擔(dān)葉片經(jīng)過螺栓傳遞給中心轉(zhuǎn)子和粘合劑結(jié)點(diǎn)的載荷，使得結(jié)點(diǎn)上承受的載荷不超過其承受范圍。

有限元分析在進(jìn)行有限元分析以前，設(shè)計(jì)分析主要是通過一些數(shù)據(jù)表格或簡(jiǎn)單的分析方法進(jìn)行，只能提供大致的不是十分準(zhǔn)確地分析結(jié)果。有限元分析可以使分析結(jié)果更為精確，我們可以采用軟件將一個(gè)虛擬三維葉片分割成幾千個(gè)細(xì)小單元，就像瓦片一樣。通過計(jì)算機(jī)的分析，我們可以得到每一片的受力情況和力傳遞過程，從而可以模擬整體受到外力時(shí)葉片的反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)–流程首先獲得所用材料的性能數(shù)據(jù)，并根據(jù)材料和選用的工藝設(shè)定安全因子，得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)材料性能。通過翼面向的彎曲載荷設(shè)計(jì)鋪層結(jié)構(gòu)，確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合氣動(dòng)設(shè)計(jì)的要求。有了基本的鋪層設(shè)計(jì)后，可以通過