风力发电机叶片设计分析

王银虎

摘要：风能作为一种相对成熟和开发友好的清洁能源，需要高度重视风能利用方式和发电技术。风能利用的核心是风力涡轮机。最常用的类型是水平轴风力发电机。叶片是风力发电机组的主要部件，直接影响风能利用效率。因此，优化风机叶片的设计具有现实意义。作者主要分析了风力发电机的叶片设计优化措施。

关键词：风力发电机；叶片设计；优化措施

引言；

受技术水平和制造技术水平的影响，中国风电设备制造仍未实现国产化，关键部件仍需从国外进口，导致设备成本高。因此，有必要实现风力发电设备国产化，提高我国风力发电的水平。在文章中，笔者以叶片设计为研究对象，阐述了具体的优化措施，提高了风力发电的效率。

1风力发电机概述

风力涡轮机的组成相对复杂，主要包括发动机，风力涡轮机，发电机和控制设备。主要功能是将风能转换为机械能或电能。风轮是风力发电机的主要部件。风轮在风的作用下快速转动，实现能量转换。实际上，根据风轮结构和风轮在气流中的位置，风轮分为水平轴和垂直轴两种类型。当水平轴风力发电机风轮正常工作时，水平轴绕水平轴连续旋转，风向与旋转平面相互垂直。叶片径向安装在风轮上并垂直于旋转轴，叶片和旋转平面确保一定的夹角。本文主要侧重于水平轴风力发电机并讨论相关主题。

2风力发电机叶片设计参数

风轮是风力发电机中的重要组成部分，风力发电机利用风轮将风能转化为机械能，因此判断一个风力发电机性能优良的关键就是风轮叶片。

2.1风况参数

在设计风力涡轮机叶片时，首先要考虑的是风切变情况。风切变是指由于高度不同而造成同一地点风速的垂直变化。风速随高度而增加，具体函数变化规律如下：其中，Vn为高度Zn处的风速，Vi代表Zi高处的风速。通过计算上述公式可以获得固定高度的风速。例如，距离地面1m处的风速为3m/s，4m/s和6m/s时，30m高度处的风速为6m/s，8m/s，12m/s。此外，还必须考虑年平均风速，风速的概率密度函数等风力参数。

2.2风轮直径

风轮的直径是出现在风轮旋转平面上的投影圆的直径。风轮直径的大小直接决定了风轮产生的功率。另外，风力涡轮机所在区域的高度，风力涡轮机的风能转换效率，传动系统以及发电机的效率因素都影响风力涡轮机直径的大小。因此，在风力机的设计中，为了计算风力发电机的输出功率，具体公式如下：其中字母P代表风力发电机的额定功率，ρ是空气密度，V是设计风速，D为转子直径，Cp为风能利用系数，电机效率和传动效率分别为η1和η2。

3风力发电机叶片材料分析

传统的风力涡轮机叶片材料是帆布和木材，现在已经发展成复合材料。复合材料由两种或更多种材料组成。基于一种原材料，另一种材料被用于增加身体的性能，并充分满足实践中的要求。选择复合材料时，有必要充分考虑主体和加强材料的作用，以确保刀片性能。树脂和增强材料的当前组成是叶片的主要来源。

凭借极低的树脂价格和良好的工艺性能，这种刀片在中小型风机制造过程中具有显着的优势。但是，它的缺点也很明显。固化过程中的高收缩率和成型过程中存在毒味。此时，环氧树脂具有较好的机械性能和尺寸稳定性，耐腐蚀性强，但生产成本高，因此在实际中并未广泛使用。有三种常用的叶片增强材料：玻璃纤维，碳纤维和两者的混合物。

（1）玻璃纤维。作为典型的无机非金属材料，玻璃纤维具有优异的性能，具有绝缘性，高强度，保温性和柔韧性，并与树脂结合形成良好的结构材料;

（2）碳纤维。由于无机高分子纤维具有碳材料的特性，还具有体积小，重量轻，导电性能好等优点，平衡了风机的输出功率，提高了风能利用效率;

（3）两者的混合材料。现阶段，风机叶片的长度和要求不断提高。已经使用混合材料来促进叶片强度的提高，减轻叶片的重量和成本，并且已经在实践中被广泛使用。

4风力发电机的叶片设计优化分析

风力发电机叶片设计优化时，需要从叶型选择开始，有效控制叶片设计质量，提高发电效率。

4.1设计理论分析

作为风力发电机组的主要部件，叶片的设计质量直接关系到发电机组的运行效率。因此，有必要提高叶片设计的水平和质量，促进风力发电技术的提高。风阻叶片部件有许多关键技术，主要包括叶片结构，叶片材料和设计理论。风力涡轮机的最核心部分由叶片翼型设计和结构组成。叶片设计包括许多内容：翼型设计，几何参数，叶片载荷和电气自动化。这是影响发电机组性能的典型集成技术。

另外，风力涡轮机依靠叶片捕捉风能。叶片设计过程中都考虑了系统设计因素，包括质量，技术和离心力。这些方面需要特别关注;后续行动严格按照有关要求进行;考虑到迎风状态下的影响，表面光滑流线型，减少了空气的摩擦阻力，并且润滑油被连续添加到叶轮和轴承中。

4.2选择合适叶型

叶片位于风力发电机的前部，其结构设计非常重要。主要功能涉及机组的风电容量和后端机械电源。通常，选择时需要考虑适当的方法。研究了风轮工作状态的转换效率，并将其作为一维稳态流理论的基础。在此基础上，概述了叶片的简单形状，并对实验进行了模拟和测试，发现实际中的理论效果难以实现，且电池寿命相对较低，没有实用价值;某学者基于叶元理论，通过叶片形状设计，并结合最优设计。然而，不考虑单位效率受到翼型阻力和叶片磨损的影响，这导致无风状态的设计不受影响。但是，在迎风条件下，它将对风力涡轮机的空气动力性能产生直接影响。这两种理论都有一定的缺陷。因此，在实践中，通常将两种理论结合起来。实际上采用了一些优化措施。这是风力发电机使用的常用方法。叶片翼型的选择尤为重要，因为空气动力学性能直接影响装置的使用寿命和特性，并影响风能利用率。

4.3修正启动能量损失

当风机处于逆风状态时，系统需要承受其自身重量，同时旋转离心力和空气动力，叶片旋转过程中会发生扭曲和波动等振动。扭转状态引起叶片和轴承之间的扭转振动。叶片旋转平面的弯曲振动在视觉上显示为摆振。在这些交织效应下，系统逐渐趋于稳定。一旦平衡力发生变化，刀片磨损就会增加。影响叶片使用寿命，严重时会直接损坏轴承。轴承转速受这些因素的影响，直接损失大量的空气动力能量。空气动力学是一个主要考虑因素。设计刀片时，设备上存在扭曲角度。弱的主轴和叶片的旋转平面彼此垂直。主轴叶片的弯曲会造成相邻主轴的弯曲，系统的稳定性不会受到摆动振动和摆振的影响。当发生扭转振动时，扭转载荷不足。叶片设计受到扭转能力的影响，确保自然频率远远超过激励频率。

结束语：

总而言之，中国拥有丰富的风能资源，风电技术具有广阔的应用前景，加之风力发电技术符合中国可持续发展战略，因此做相关的研究工作具有现实意义。在文章中，笔者主要讨论风力机叶片设计优化措施。

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