原标题：2MW风机叶片的结构设计及静力学分析
2MW风机叶片的结构设计及静力学分析题
作者芦丽丽，祁文军，王良英，陈海霞
来源：材料科学与工艺
摘 要：以２ ＭＷ 风力发电机叶片为研究对象，通过Ｍatlab 中的优化函数fmincon对风机叶片的关键参数（弦长、扭角、轴向和周向因子）进行优化．采用ＵＧ 建模，导入ＡＢＡＱＵＳ 分析软件，将叶片分为叶片根部、主梁、前缘、后缘、腹板５ 个部分分区域铺层后，对其施加载荷进行静力学分析，分析不同部位应力和应变规律，同时对叶根部位的复合材料层间力进行分析．结果表明：叶片根部为应力最大部位，最大变形部位为叶片端部；—４５°铺层的层间应力最大，而且应力随铺设角度的不同呈现出周期性变化．通过对叶片进行静力学分析和层间力分析，能够对叶片铺层设计提供可靠的依据．
关键词：风力发电机叶片；Ｍａｔｌａｂ；铺层设计；静力学分析；层间力
叶片是风力发电机最为复杂和关键的零部件，叶片性能的好坏将会直接影响到风力发电机的效率和使用寿命．目前，大型风力发电机的叶片基本上由各种复合材料制成，叶片与复合材料技术有着密切的联系．为了实现叶片经济效益的最大化，在叶片结构设计阶段，叶片的模型设计和铺层结构优化设计显得尤为关键，因此，精确地创建叶片的三维模型以及铺层结构是对叶片进行模拟分析的首要条件．目前，通常将叶片分为前缘、后缘、腹板、主梁和叶根５ 个结构进行建模，通过铺层设计原则［１］以及遗传算法［２］ 等对叶片各个结构分别进行铺层优化，最终得到最优铺层角度以及层数．
关于叶片的建模以及铺层优化问题，国内外很多学者都对此进行了研究： Ｍｏｎｒｏｙ 等［３］ 针对低速风机叶片，采用有限元原理进行结构分析，根据研究提出新的设计方式，并分析其优越性；西南交通大学的王静［４］ 针对叶片精准建模，对模型进行模态分析，位移及局部应变方面的验证；华北电力大学的李琪［５］ 对１．５ ＭＷ 的风机叶片进行研究，设计了三维叶片模型的铺层，完成静力、模态和线性屈曲等分析．陈园［６］ 在对层压板结构进行参数化设计的基础时，采用遗传算法对复合材料结构全局优化的方法．冯消冰等［２］ 通过使用遗传算法对叶片的腹板、叶根以及梁帽进行了铺层优化．本文利用Ｍａｔｌａｂ 中的优化函数ｆｍｉｎｃｏｎ 对轴向因子以及周向因子进行优化计算，从而得到弦长和扭角的对应关系，最终建立更加精确的叶片模型．通过ＵＧ 将模型导入ＡＢＡＱＵＳ，将叶片分为１０ 个截面进行铺层，利用ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 软件，计算额定转速下叶片表面载荷，以及叶根部位的复合材料的层间力，最后对叶片不同部位应力和应变的变化规律进行分析说明．
01
叶片模型设计
参照国内２ ＭＷ 风力发电机叶片运行参数，本文选用三叶片风机，叶片数Ｂ ＝ ３，选取叶尖速比［６］ λ０ ＝８．
１.１ 翼型选择
风机的运行效率与可靠性与翼型的气动性能密切相关，为了设计出具有更锦工能捕获能力和低气动载荷的高性能叶片［７］ ，在风电应用初期阶段，叶片外形比较小，载荷较低，对翼型的要求很低，主要选择低速航空翼型，如ＮＡＣＡ４４系列和ＮＡＣＡ６３——２ 系列翼型等［８］ ．自２０ 世纪８０ 年代起，欧美国家陆续进行了风力机先进翼型的研究，研制了一批专用风力机翼型，如德国Ａｅｒｏｄｙｎ 公司的ＡＥ０２ 系列翼型、荷兰的ＤＵ 翼型族、瑞典的ＦＦＡ 翼型族．其中，荷兰的Ｄｅｌｆｔ 大学先后发展了相对厚度１５％——４０％的ＤＵ 系列翼型，而且在功率３５０——３ ５００ ｋＷ 的风力机上广泛应用，本文选用ＤＵ 系列的翼型，翼型如图１ 所示．
１.２ 叶片直径设计
本文参考国内２ ＭＷ 风机的各项性能参数，设计风机叶片．因此，风轮直径可按式（１） 进行估算：
１.３ 叶片长和扭角设计
风机叶片外形复杂，总体表现为展向扭曲，而且在展向方向上，弦长与扭角也大小迥异，不能够简单地将它们的特点进行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向将叶片划分许多“截面”，对每个“截面”的数据进行计算，随后对数据分析、拟合．
本文基于动量理论进行计算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的优化函数ｆｍｉｎｃｏｎ 进行优化计算，优化目标为使风能的转换效率达到最大值，通过优化目标函数公式（２），条件方程为公式（３），利用迭代法计算轴向因子ａ 和周向因子ｂ．
优化目标函数：
条件方程：
其优化步骤为：１）根据叶素理论，沿叶片展向分成若干等截面；２）针对每截面，求解得出各个截面的轴向因子ａ、周向因子ｂ 和叶梢损失系数Ｆ；３）计算每个截面的流倾角，并根据β ＝Ｉ——α，计算每个截面的扭角；４）计算出各个截面的处的弦长；５）对计算结果进行改进．６）根据改进结果进行修正模型、建模．
利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并进行曲线拟合，结果见图２——５，可以看出，经过拟合，曲线过渡光滑平稳．
１.４ ＵＧ 三维建模
由于风机叶片模型复杂，以及ＦＥＡ 软件建模效果的局限性，必须借用三维软件完成叶片精确模型的设计，本文利用表１ 中计算的叶片弦长ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中对导入翼型进行缩放和扭转，完成叶片截面图的创建，利用样条曲线连接各个翼型，并建立主梁，最终模型如图６ 所示．
02
叶片铺层设计
２．１ 叶片材料选择
本文采用目前常用的玻璃钢材料Ｅ——玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料．
２．２ 叶片铺层设计
在叶片运行过程中，由于环境对叶片各个部位施加的载荷不同，通常对叶片进行块化处理，将叶片分为前缘、后缘、腹板和主梁４ 种结构．参照国内外和以往铺层设计经验［８——１４］ ，其设计原则如下［１２］ ：
１）为了最大限度地利用纤维轴向的高性能，应用０°铺层承受轴向载荷；±４５°铺层用来承受剪切载荷，即将剪切载荷分解为拉、压分量来布置纤维承载；９０°铺层用来承受横向载荷，以避免树脂直接受载．
２）为了提高叶片的抗屈曲性能，除布置较大比例的０°铺层外，也要布置±４５°铺层，以提高结构受压稳定性．
３）构件应包含４ 种铺层，一般在０°、±４５°层板中加入９０°的铺层，构成正交异性板．对叶片不同结构进行铺层设计，表２——５ 分别为叶片不同部位的铺层顺序表．
图７ 为利用ＡＢＡＱＵＳ 对风机叶片不同部位建立铺层后腹板和主梁的效果图，从效果图中可以直观地看出不同位置的铺层差异．
03
静力学分析
３.１ 载荷计算
由于风机所处环境复杂，叶片表面载荷难以准确的计算和测量，一般都是利用风机专用分析软件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 计算叶片表面的数据，本文利用ｂｌａｄｅｄ软件计算风机叶片不同部位在额定风速下的载荷［１６］ ，将分析所得载荷加载在叶片表面，叶片加载位置和加载力与扭矩的大小如图８ 和表６ 所示（在ＡＢＡＱＵＳ 中通过选择节点和曲线添加载荷）．
３.２ 应力分布规律分析
由图９ 叶片应力云图可以看出，应力最大的位置出现在根部，而且分布较为复杂，其最大值为１５ ＭＰａ．此外，应力从叶根部位向叶尖部位逐渐减小，各分块的处节点应力值的变化如图１０——１５ 所示．图１０ 为叶片根部截面的应力变化规律曲线，从图中可以看出根部的应力基本都保持在兆帕级以上，而且力的大小呈现一个正态分布的形式，其原因是叶片的承受力主要集中在迎风面，所以迎风面的压力较大，造成叶根部位迎风面的压力大于压力面．
图１０、图１１ 分别为后缘和前缘部位叶根到叶尖的应力变化曲线，可以看出：叶片表面的应力是从叶根向叶尖部位逐渐变小，而且在局部地方还有应力集中；后缘部位的应力突变的部位比前缘的多，而且变化更为严重，这是由于叶片翼型的后缘曲率较大，变化快，造成后缘应力集中部位较多．
３.２ 叶片根部复合材料应力变化规律分析
图１６～１８ 分别为叶根部位４５°、－４５°、９０°和０°铺设角度的Ｍｉｓｅｓ 应力云图，可以看出，由于复合材料的铺设角度不同，层和板的应力存在明显的差异， 最大应力出现在４５° 的铺层中， 为１５．２ ＭＰａ，出现在第２ 层，然后是９０°的铺层，为１５．１９ ＭＰａ，出现在第５８ 层，再然后为４５°铺层，为１５ ＭＰａ，出现在第１ 层，０°铺层的应力最小，是９．７ ＭＰａ，出现在第５２ 层．从应力云图中可以看到，随层数的变化，叶片上的应力差异在逐渐减小，而且应力最大的部位向叶片根部连接端移动．
图２０ 为叶根部位铺层自外向内的应力变化曲线，叶片根部部位单层层合板上的最大应力呈现周期性变化规律，与叶片根部铺层的铺设基本一致，虽然相同角度的不同位置的铺层上的应力有一定的差异，但总体上差异远小于铺设角度的差别．图２１ 为其最小应力的位置改变曲线，由图形可知，最小应力出现在中间靠近叶片内腔的位置，这是因为叶片受到外力的作用导致应力变化向内转移．
04
结 论
运用翼型设计软件Ｐｒｏｆｉｌｉ、分析软件Ｍａｔｌａｂ以及三维制图软件ＵＧ 和ＡＢＡＱＵＳ，能够创建更贴近实际工程的风机叶片模型，通过ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 计算载荷以及对叶片加载分析后得到以下结论：
１）在额定风速下，由于叶片的承受力主要集中在迎风面，导致叶片根部应力的大小呈现一个正态分布的形式，应力大小基本保持在兆帕级，最大应力为１５ ＭＰａ．
２）通过对叶片根部不同铺层应力分析可知：由于复合材料的铺设角度不同，层和板的应力存在明显的差异，最大应力出现在４５°的铺层中，为１５．２ ＭＰａ；第二是９０°的铺层，为１５．１９ ＭＰａ；之后为４５°铺层，为１５ ＭＰａ； ０°铺层的应力最小，是９．７ ＭＰａ．
３）对叶片根部复合材料层间力分析可知，——４５°铺层的层间应力最大，而且应力跟随铺设角度的不同而成周期性变化．
■ 来源:材料科学与工艺
猜你喜欢
：
本发明属于风机技术领域，尤其涉及一种直叶片径流风机叶轮的设计方法。
背景技术：
风机的功能主要在于引导空气流动进而达到散热的目的，因此，为使散热效率良好，风机对于空气的引导效能必须良好，目前，以风机工作时空气的流动方向划分，风机有轴流和径流式两种。径流式风机是根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后减速、改变流向，使动能转换成势能。当电动机带动叶轮工作时，气体从轴向进入叶轮，气体流经叶轮时改变成径向，然后进入扩压器。由于空气在风机中由轴向流动变成径向流动，所以称径流式风机，径流风机的性能更多的体现在叶轮及风道的结构上，所以在行业探索中也多集中在结构、材质等方面。径流风机作为工业的重要配套设备，更多地应用于电力、水泥、石油化工、煤炭、矿山和环保等领域，在新的经济发展形势下，未来径流风机行业将继续保持较快的增长。
径流风机的叶轮设计，市场上主要采用的依据设计手册，根据风量、风压、转速等需求数据，通过大量的计算推导，设计出一个大致满足需求的基础叶轮结构。设计得到的叶轮性能如何，还需要进一步的验证，而后续的叶轮改进，却是传统设计方法很难解决的问题，大多数设计单位采用的是依据经验局部修改模型，但是此种方法存在很大的盲目性和不确定性，还很有可能降低风机的性能，总之，在叶轮结构设计上，目前严重存在效率低、成本高昂等问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术不足，提供一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，只需对模型创建少量的参数，就能使径流风机的叶轮结构千变万化，后续结合CFD仿真分析，能够测试出每种结构的性能，再根据分析结果对模型局部优化寻优，能够迅速的得到性能更好的直叶片径流风机叶轮模型。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，包括以下步骤：1、一种直叶片径流风机叶轮的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1：创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线和shroud曲线的控制点参数；2：创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义一个点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起止位置的参数以及shroud曲线上基准点位置的参数；3：创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接叶片的基准曲线起点与shroud上定义的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4：创建叶片中弧面根部曲线，通过中弧面形状的方程控制曲线，控制叶片基准曲线沿叶轮周向进行变化，创建叶片中弧面的根部曲线，设置方程控制曲线A的控制点参数和形状参数；5：创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6：创建叶片曲面，使用叶片截面厚度的方程控制曲线，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面，设置方程控制曲线B的控制点参数和形状参数；7：创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，设置叶片数目参数。
上述方案中，优选的，所述hub曲线控制点参数包括hub曲线起点的半径、高度，hub曲线终点的半径、高度，hub曲线起始端的角度。
上述方案中，优选的，所述shroud曲线控制点参数包括shroud曲线起点的半径、高度，shroud曲线终点的半径、高度，shroud曲线起始端的角度和终止端的角度，shroud曲线中部圆角的半径。
上述方案中，优选的，所述叶片基准曲线起止位置的参数，包括叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率。
上述方案中，优选的，所述shroud曲线上基准点位置的参数包括shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率。
上述方案中，优选的，所述步骤4中方程控制曲线A的控制点参数包括方程控制曲线A的起点高度和终点高度。
上述方案中，优选的，所述步骤4中方程控制曲线A的形状参数包括方程控制曲线A的起始端曲率和终止端曲率。
上述方案中，优选的，所述步骤6中方程控制曲线B的控制点参数包括方程控制曲线B的起点高度、终点高度。
上述方案中，优选的，所述步骤6中方程控制曲线B的形状参数包括方程控制曲线B的起始端曲率和终止端曲率。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：本直叶片径流径流风机叶轮的结构设计，采用与传统设计方法截然不同的思路，该设计为全参数化设计，能够在任何想要控制的位置添加参数来控制模型，也可以使用模型的方程控制曲线来控制模型，能够简洁快速的创建一个直叶片径流风机叶轮，而且在少量的控制参数驱动下，就能对模型进行最大范围内的变形，之后使用CAESES等驱动工具，批量控制CFD分析，并将CFD的分析结果归纳判断，再使模型的控制参数按照一定的规律重新变化，使模型最终达到一个最理想的状态，采用本方法避开了模型设计和优化时候的盲目性和不确定性，直接节省了大量的人力和时间，为直叶片径流风机叶轮的设计研究提供了更科学的途径。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：以叶片数为5片的直叶片径流径流风机叶轮为例，设计方法为：1、创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线起点半径45mm、高度10mm，hub曲线终点半径125mm、高度0mm，hub曲线起始端角度20°；shroud曲线起点半径90mm、高度100mm，shroud曲线终点半径125mm、高度60mm；shroud曲线起始端的角度50°以及终止端的角度10°，shroud曲线中部圆角的半径10mm；2、创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义曲线长度方向的shroud曲线总长0.15倍位置点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率为0.15、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率0.88，shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率0.4；3、创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接步骤2中设置的叶片的基准曲线起点与shroud曲线上的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4、创建叶片中弧面根部曲线，设置中弧面形状方程控制曲线A的起点高度为0.69mm、终点高度0.23mm、起始端角度-90°、终止端角度10°以及控制曲线影响因子60；5、创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6、创建叶片曲面，设置叶片截面厚度方程控制曲线B的起点高度5mm、终点高度3mm、起始端角度0°和终止端角度0°，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面；7、创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，最后设置叶片数目参数为5，获得风机叶轮叶片为5片的风机叶轮。
实施例2：以叶片数为8片的直叶片径流径流风机叶轮为例，设计方法为：1、创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，在Y-X-Z平面上创建叶轮的hub曲线和shroud曲线，将hub曲线和shroud曲线分别绕Z轴旋转一周，创建hub曲面和shroud曲面，设置hub曲线起点半径100mm、高度50mm，hub曲线终点的半径200mm、高度0mm，hub曲线起始端的角度50°，包括shroud曲线起点的半径150mm、高度160mm，shroud曲线终点的半径200mm、高度100mm，shroud曲线起始端的角度80°和终止端的角度20°，shroud曲线中部圆角的半径30mm；2、创建叶片的基准曲线和基准点，在hub曲线上选择其中的一段作为叶片的基准曲线，在shroud曲线上定义曲线长度方向的shroud曲线总长0.16倍位置点作为叶片最高位置的基准点，设置叶片基准曲线起始位置在hub曲线上所处的比率为0.16、叶片基准曲线终止位置在hub曲线上所处的比率0.92，shroud曲线上基准点位置在shroud曲线上所处的比率0.4；3、创建中弧面的前缘控制曲线，通过光顺曲线连接步骤2中设置的叶片的基准曲线起点与shroud曲线上的基准点，创建中弧面的前缘控制曲线，将前缘控制曲线绕Z轴旋转一周，创建叶片中弧面的前缘裁剪曲面；4、创建叶片中弧面根部曲线，设置中弧面形状方程控制曲线A的起点高度为0.9mm、终点高度0.3mm、起始端角度-80°、终止端角度30°以及控制曲线影响因子40；5、创建最终的叶片中弧面，在shroud曲线上的基准点位置放置平面，将叶片中弧面根部曲线投影到平面上，然后使用根部曲线与投影曲线相连来创建中弧面初始曲面，用中弧面的前缘裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真实的叶片中弧面；6、创建叶片曲面，设置叶片截面厚度方程控制曲线B的起点高度7mm、终点高度5mm、起始端角度0°和终止端角度0°，使中弧面内部的每一条型线都向两侧偏移，生成叶片的截面轮廓曲线，将所有的截面轮廓曲线组合成一个叶片曲面；7、创建叶轮，使用中弧面的尾缘边线绕Z轴旋转一周生成叶片尾缘裁剪曲面，与hub曲面和shroud曲面一起对叶片进行裁剪，创建叶片实体，将叶片实体绕Z轴圆周阵列后，与hub和shroud曲面布尔运算，创建整个叶轮，最后设置叶片数目参数为8，获得叶片为8片的风机叶轮。
可通过对不同设计参数的设置，获得不同参数下的叶片，风机模型构建成功后，初始模型一般都不会是性能最优的，只要通过微调参数，对每一个变种模型进行相同的CFD分析，结合适当的优化算法，最终能够在参数限定的范围内，寻找到性能最优的模型。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
轴流风机叶片及其设计方法：为了降低弯板轴流风机的生产成本,发明的叶片从叶根到叶尖由等直弯板后缘和三角形平板两部分组合而成：一部分为等弦长等弯度的等直弯板,另一部分为三角形平板。制作时只需计算叶尖与叶根处叶片剖面参数,以等直弯板与三角形平板的固连实现了叶尖到叶根各剖面的弯扭变化,取代了常规弯板风机叶片整体弯扭成型的方法,既满足了风机高效率的要求,又简化了轴流风机叶片设计、加工环节,达到了降低生产成本的目的。由于本发明减少了模具设计加工的周期和成本,特别适合小批量多型号风机的快速生产,使企业更容易适应市场对不同风机型号的需求。
轴流风机叶片,包括叶根、叶尖,其技术特征在于该叶片由固定联
结的两部分组成,其中一部分为从叶根到叶尖等弦长等弯度的等直弯板，另
一部分为三角形平板，且三角形平板的厚度及展长与第一部分的弯板相同。轴流式风机叶片,在叶片的叶尖处沿叶片的弦长方向排布有若干气孔,该气孔的方向垂直于叶片弦向表面,气孔的孔径为1-5mm,气孔的深度为3-20mm,气孔与叶片的边缘处的距离为1-4mm。本发明与现有技术相比,不仅可以有效地避免叶片与筒体刮擦碰撞从而导致叶片折断对风机造成的危害,同时还能有效地减小气体沿轴向通过径向间隙的泄漏量,提高风机的气动效率,并且还有加工简单、制造成本低的优点。
风机叶片结构设计
如我们在气动部分所提到的，叶片的设计初衷就是获得动力学效率和结构设计的平衡。
材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。因此结构设计人员在如何将设计
原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色，设计人员必须找出在保证性能与降低
成本之间的最优方案。
叶片受力分析
叶片上承受的推力驱动叶片转动。推力的分布不是均匀的而是与叶片长度成比例分布。
叶尖部承受的推力要大于叶根部。如此设计的原因在前文已经提到过。
外部的推力除了驱动叶片转动，也会使其产生一定的弯曲。从叶根到叶尖弯曲程度逐
渐加大。叶尖处距离支点最远因此变形量最大。叶根承受最大的力矩，在叶尖处力矩
为零。
力矩和叶片位置关系图
因此在叶片设计中，叶根部具有最大的厚度和最高的强度，向叶尖部过渡的过程中厚度
逐渐减小。这也符合空气动力学的设计要求：尖部弦长最短，牵引力最为重要因此需要
较薄的厚度。此外在强风条件下叶片需要停转进行功率调节，叶尖部较薄的结构更容易
停下。叶根部的弦长最大，产生的推力最小，叶壳铺层厚度的增加可以提高推力。
但是为了达到需要的强度和模量而设计的铺层厚度已经超过了气动设计所需要的最佳厚
度，因此在设计时需要综合考量。
WE Handbook- 3- Structural Design
内部梁结构
如果叶片内部采取实心结构则厚度的设计就变得非常简单，只需要依据弯曲力矩进行设
计即可。但实心结构受力时，叶片向下弯曲时上表面的材料受到拉力，下表面的材料受
到压力，中间部分的材料受力较少而没有发挥出最大的作用。因此为了降低生产成本，
设计中可以去除一些不必要的材料，所以常见的叶片都采用了中空式设计。
还有一种极端的设计方案，就是将叶片分成上下两部分，中间完全不用任何连接。而实
际应用中无论从剪切强度和空气动力学设计上考量这种设计都是不可行的。首先从空气
动力学角度出发整个叶壳必须是连续的整体。此外从剪切强度出发如果没有任何连接，
两部分没有形成一体，使用中会发生相对滑动，也不能承担弯曲载荷，叶片中连接上下
梁帽的连接部件称为抗减腹板。这种设计与工字梁的原理相同。
Steel I-Beam Blade with spar caps Blade with box spar
& shear web
叶片的整体结构原理上与工字梁相同，区别只是在于为了形成空气动力学外形在工字梁
外面包裹了一层叶壳。主要的弯曲载荷由梁帽承担，叶壳只承担少量弯曲载荷。剪切腹
板的连接方式主要有两种：上下两片梁帽加以中间腹板连接，或者是梁帽和腹板做成一
体称为盒式大梁，再通过结构胶与叶壳粘接。
铺层取向
现代的风机叶片主要采用玻璃钢材料生产，玻璃钢与木材和金属相比具有更高的比强
度，尤其适用于制造像风机叶片之类的大尺寸薄层构件。因为风机叶片中主要载荷集中
在一个方向，便于纤维布的铺设。例如梁帽中所有纤维都沿着叶片长度方向排列，因为
叶片长度方向是弯曲载荷的主要加载方向（上表面受拉伸载荷，下表面受压缩载荷）。
腹板中的纤维铺放应为对角取向，这样可以确保在腹板与梁帽交接处纤维取向与所有方
向都成45度角。
WE Handbook- 3- Structural Design
上图所示是由三根棒材通过固定销连接而成的框架结构。在对这个结构施加载荷时，框
架会由长方形变成菱形，棒材尺寸没有发生变化，而对角线尺寸则发生了明显改变，一
条伸长另一条缩短。因此为了保证框架刚性需要增加两个对角方向的固定棒材。
通过增加更多的对角棒材可以延长框架的长度直至形成一个长梁结构，每一部分都需要
有对角棒材保证剪切刚性。两个棒材缺一不可，一个承担拉伸载荷，另一个承担压缩载
荷。整体载荷达到平衡，横向保证上下梁帽均匀分开，纵向保证梁帽不发生剪切滑动。
单向织物用于制造梁帽，±45°双向织物用于制造抗剪腹板，在梁帽制备中也会用到一
些双向织物，目的是为了在单向织物间传递载荷。对于使用盒式大梁的叶片，采用双向
织物与单向织物交叉铺放方式。对于使用抗剪腹板的叶片，采用附加双向织物增强的方
式。对于后者在制造中需要特别注意抗剪腹板和梁帽的充分重叠，以保证载荷可以通过
相对较弱的结构胶粘合面顺利传递。
山东锦工有限公司
地址：山东省章丘市经济开发区
电话：0531-83825699
传真：0531-83211205
24小时销售服务电话：15066131928
