201310610221 胡长红

1.风力发电机的介绍

风力发电机的设计、制造和维护产业近年来得到飞速迅猛的发展，尤其是国内小型风力发电机适用范围十分广阔，在一些有着丰富的自然风能地区或国家电网还未输送到的偏僻山区，为此我们可以采用相对独立、高效新型的风力发电来提供电能。

摘要和前言本人均已提到小型风力发电机的核心部件在于叶片，而叶片的设计以及材料的选择显得十分重要，设计的优化和材料的选择，不但能提高风机自身的捕风能力，而且能更好的降低成本。

下面我将分门别类的叙述对小型风机的叶片优化设计原理和材料的选择，本人主要从五大方面来阐述风机叶片优化设计方案，首先是直径的计算，其次风机叶片的截面翼型以及具体的尺寸，再次是载荷工况和强度校核的设计，然后是动态特性的分析，最后是叶片材料的选择。

2.计算风轮直径d

假设设计功率Ne=300W,风速v=10m/s，叶尖速比λ=5，在贝茨基本理论的基础上进行计算。

2.1风轮叶片扫掠面积S及风轮直径d的确定风轮叶片扫掠面积S为：

S=Ne/（KC0Ctvη） （1） 本文取S=2.033m2

式中：K为单位换算系数；C0为空气高度密度换算系数；Ct为空气湿度密度修正系数；η为风机全效率。

由风机扫掠面积S可计算出风轮直径d为：

d=2√（S/π） （2） 求得d=1.7m。 2.2 初步确定风轮转速n

风机的叶片数B与风机的用途有关，与叶尖速比λ有匹配关系，取B=3，λ=5.本文设计的风机主要用于风力发电，因而风轮的转速较高，转速n为：

n=60λv/（2πR） （3） 求得n=562.2r/min。 式中：R为风轮半径，m。

2.3 风机叶片截面翼型及具体尺寸的确定

现代风机的风轮叶片翼型基本上都采用扭曲型，扭曲叶片虽然制造困难，但可提高风能利用率，使风机获得最佳的风能利用率。设计时应使叶片翼型各处的安装角θi不一致，角度由叶根到叶尖逐渐减少，使叶片各处都处在最佳迎角状态，以获得最佳升力，从而提高叶片接收风能的效率。

选择现行最通用的NACA4412翼型，该实用翼型具有风能利用系数高、振动小、噪声低和一致性好的气动特性。

2.3．1 叶片从转动中心至叶尖不同位置的叶尖速比

叶尖速比是叶片尖端的速度与风速的比，则叶片从转动中心至叶尖不同位置的叶尖速比λi 为： λi=2πnri/（60v） （4） 式中：λi为叶片从转动中心至叶尖不同位置的叶尖速比；ri为叶片从转动中心至叶尖不同位置的半径；m。

2.3.2 叶片从转动中心至叶尖不同位置半径处的截面翼型弦长Li

叶片翼型弦长Li与叶片形状参数、叶尖速比、机升阻力比和升力等有关。叶片从转动中心至叶尖不同位置半径ri处的截面翼型弦长Li为：

Li=riCc/（CLB） （5） 式中：Ci为升力系数；Cc为叶片形状参数。 2.3.3 叶片的实际安装角θi

叶片ri处的实际安装角θi为：

θi=φi-αm （6） αm=α0+C（/KL （7） L1+3/Rz）KL=（CL（max）- CL（0））/（αL（max）-α0） （8） 式中：αm为叶片的平均迎角；φi为ri处所对应的叶片相对迎风角；α0为升力系数为零时的叶片迎角，通常为负值，NACA4421翼型的叶片迎角α0=-40；Rz为展弦比；KL为升力曲线平均斜率；CL（max）=1.07；CL（0）为零升力系数，取CL（0）=0.33；

0

αL（max）为最大升力所对应的最大迎角，取αL（max）=13。

3.风机叶片的制作 3.1 叶片材料的选择

由于叶片是直接迎风获得电能，所以要求叶片有合理的结构、先进的材料和科学的工艺，以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重及离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力，而且还要求叶片结构轻盈，强度高，制造容易，所以风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。

目前，风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料等，其中玻璃钢叶片材料因为其重量轻、力学性能及稳定性比较好、成型简单、可设计性强且价格比较便宜等因素，开始成为大中型风机叶片材料的主流。为满足风机叶片的使用要求，目前玻璃纤维也在发生技术革新，经过表面处理的玻璃纤维界面粘结强度和拉伸强度均高于未经表面处理的玻璃纤维，可以在不增加叶片成本的情况下提高叶片的性能。在热固性复合材料结构件的实际制造过程中，也常采用交替铺设玻璃纤维布和玻璃纤维毡的方式来提高复合材料层间断裂能力。 3.2叶片的成型工艺

与金属材料相比，复合材料的制造有很大的灵活性，根据增强体和基体材料种类的不同，需要不同的制造工艺和成型方法。风机叶片常见的成型方法有：手工成型法、压缩成型法、SMC成型法、RTM成型法、真空热压成型法以及真空袋成型工艺等。纤维布的铺设角度常见的有00、900、±450等，在风机叶片中00铺层主要承受轴向力，900铺层承受横向载荷和控制泊松比，加入450铺层主要承受扭矩和剪力。风机叶片通常是细长的弹性体，振动形式主要是弯曲和扭转，所以在复合成型过程中，经常使用00、900、±450的铺层交替铺设。

四、风力发电机工作流程图及叶片模具图 风 叶轮 传动系

控制系统

工作流程图

发电机 电