南工程-复合材料结构设计课设-风机叶片设计说明书模板

南 京 工 程 学 院 课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 课程名称：  复合材料力学与结构设计    题  目：    玻璃钢风机叶片设计      姓  名：  XXX  学  号： XXXXXX 学院（系、部）：      材料 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院      班  级：      复合材料与工程      设计地点：    工程实践中心      2016年 12 月 09 日 课程设计 任务书 毕设任务书免费下载LOGO设计任务书pdfLOGO设计任务书pdf毕设任务书免费下载财经本科住任务书下载 设计题目 玻璃钢风机叶片设计 技术参数： 设计任务： 工作 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 与进度安排：     目录 一、前言    3 1.1风力机的概述    3 1.2风力机叶片的特点    3 1.3风力发电机叶片结构    4 1.4研究目的及意义    4 二、风机叶片气动外形设计    5 2.1风力机运行风速及额定功率的设定    6 2.2风轮直径    6 2.3叶片数    6 2.4叶尖速比和设计转速    6 2.5叶片几何外形布置    7 三、叶片结构设计    10 四、叶片铺层设计    12 五、附件设计    15 六、叶片强度校核    16 6.1叶片的空气动力计算    16 6.2气动扭矩计算    16 6.3气动弯矩的计算    17 6.4离心扭转力矩计算    17 6.5应力计算    17 6.6叶片挠度计算    18 6.7叶片质量及刚度计算    18 6.8结论    19 七、 参考文献    20 一、前言 1.1风力机的概述 风力发电机是把风能转化为机械能,由机械能转化为电能的动力机械,其实质也是以太阳为热源,以大气为工作介质的热能利用发动机。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上,向电网输电;小型风力发电机大多将电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池),需要时再提供给负载。 国内外风力机的结构形式繁多,根据风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类:垂直轴风力机和水平轴风力机,如图1-1所示。 图1-1  垂直轴风力机和水平轴风力机 1.2风力机叶片的特点 大型风力机的关键技术之一是复合材料叶片的研制,它涉及到空气动力学、结构动力学、结构试验、复合材料、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 制造、模具装备等领域,技术难度较大。目前世界上绝大多数叶片采用玻璃钢/复合材料制造,主要考虑玻璃钢/复合材料有一些优点是其它材料所不具备的。 (1)它可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度,利用纤维受力为主的理论,可把主要纤维安排在叶片的纵向,减少材料用量,减轻叶片的重量。 (2)容易成型。叶片具有复杂的气动外形,如用金属制造相当困难,而用复合材料制造则容易得多,模具制成后,可以进行批量生产。 (3)优良的力学性能。叶片使用寿命约20年,要求叶片具有良好的疲劳强度。玻璃钢的疲劳强度较高,缺口敏感性低,具有良好的疲劳性能。此外,玻璃钢的内阻尼大,抗震性能较好。 (4)耐腐蚀性好。风力机安装在外,近年来又大力发展离岸风电场,风力机安装在海上,风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响,要具有耐酸、碱、水汽的性能。而玻璃钢复合材料具有这种优良的性能,能在这种恶劣环境下较长时间的工作。 1.3风力发电机叶片结构 叶片是一个大型的复合材料结构，其重量的90%以上由复合材料组成，每台发电机一般有三支叶片，2MW的发电机组所需的复合材料达六吨之多。叶片是风力发电机中最基础和最键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。 图1-3 叶片结构 从结构上讲，叶片可大致分为四个部分，见1-2图：蒙皮；腹板；主梁；叶根。其中蒙皮采用夹芯结构，中间层是聚氯乙烯泡沫，上下表面层为玻璃纤维增强材料。面层由单向和±45°玻璃纤维布层组成。单向层可选用单向玻璃纤维和单向织物铺设，一般用7:1 或 4:1 的比例进行玻璃纤维布的铺设，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力。为简化成型工艺，可不用±45°玻璃纤维布层，而采用 1:1 玻璃纤维布，均沿轴向铺设，以承受主要由扭矩产生的剪切应力，一般铺放在单向层外侧。腹板的结构形式也是夹芯结构。但是，在蒙皮与腹板的结合部位，即主梁处必须是实心玻璃纤维增强结构。这是因为此部分腹板与蒙皮相互作用，应力较大，必须保证蒙皮的强度和刚度。叶根位于整支叶片的根端，由上百层的三向玻璃纤维布组成，对叶片的结构同样起着至关重要的作用。 1.4研究目的及意义 复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风机叶片上的应用。风机叶片是风力机的关健部件之一，承受着复杂的空气动力、惯性力和离心力。其制造成本在总成本中所占比重最大，为15%-20%。风机叶片应具有较好的捕风能力、足够的强度和刚度以及稳定性，能够承受极限风速的考验。因此它的设计和分析就显得举足轻重。风机叶片应按最佳设计点设计才能最大限度地利用风能，这对增加风机发电量，提高风电经济效益有着重要意义。 二、风机叶片气动外形设计 风机叶片气动外形设计内容核也包括:风机风轮的直径D的设计计算,叶片数量B的确定,选取叶片各叶素截面气动翼型,各叶片叶素截面的弦长C和安装角B的确定。风机叶片结构外形设计的基本步骤如图2-1所示。 图2.1 设计思路 2.1风力机运行风速及额定功率的设定 江苏南通市如东县海岸线西北东南走向，拥有100万亩滩涂和6000平方公里海域，风力资源丰富，年可利用小时在2000小时以上。该地区平均风速11.67m/s，设计额定功率为1MW的风机。 2.2风轮直径 风机功率与风轮直径、风速、风能利用系数有如下关系： 由此推得风轮直径为： 式中：P为风机输出功率,P=106 W；V为设定额定风速，V=11.67m/s；ρ为空气密度，取1.25kg/m3；Cp为风能利用系数，Cp=0.44。 经计算可得D=54m 2.3叶片数 和其他风机相比，3叶片风力发电机的运行和输出功率比较平稳，同时也具有很好的旋转特性及视觉效果，故采用3叶片。 2.4叶尖速比和设计转速 叶尖速比为叶片尖端的线速度与风速之比。对于高速风轮来说，尖速比在6-8的范围内会有较高的风能利用系数。本文取λ0=7，由叶尖速比的定义可以确定转速： 其中v=11.67m/s，λ0=7，r0=27m，计算可得n0=29r/min. 2.5叶片几何外形布置 采用 Wilson 设计理论对弦长C、叶片的安装角β进行计算。Wilson理论引入了叶尖损失，考虑了叶片翼型阻力对叶片最佳性能的影响，是目前最常用的设计理论。具体公式如下： 式中: F 为叶尖损失； f 为叶尖损失系数； a为轴向诱导系数； aˊ为切向诱导系数； ?为相对风速来流角； α为翼型最佳攻角; β为扭角; CL为升力系数；B为叶片数；C为叶片截面弦长；V为风速；vˊ为切向风速；λ为速比系数；λ0为速尖比；R为叶尖半径。 当dCp/dλ达到最大时，Cp取值最大。风机叶片设计可归结为通过目标函数与约束条件求解最优化问题。解出α、aˊ、F，继而优化计算出各截面的安装角及弦长。 通过Matlab计算，表2-1中给出了叶片几何外形具体的布置情况，包括叶片25个截面的相对位置、弦长、扭角分布以及每个截面段所用的翼型。从表2.1中可以看出，该叶片的最大弦长为3.219m，位于沿叶片展向的0.2R处，最大扭角为12.079°，同样也位于此位置。 图2.2该叶片所用的不同型号翼型，由图可以看出，该叶片所用翼型包括7个标准翼型和8个过渡翼型，共计15个翼型，分布于整个叶片的不同位置。 图2.2不同型号翼型 为了使叶片过渡区域光滑连续，需对叶根部分做适当修型（几何曲线插值），修型后的叶片弦长、扭角沿展向位置的布置如图2.3所示。 表2.1叶片几何外形布置 截面号 相对位置（μ=r/R） 弦长/m 扭角/(°) 翼型 1 0 2.115 0 圆 2 0.075 2.115 0 圆 3 0.115 2.326 4.052 过渡翼型 4 0.155 2.704 8.013 过渡翼型 5 0.200 3.219 12.079 CQUA400 6 0.240 2.975 10.265 过渡翼型 7 0.280 2.756 8.976 CQUA350 8 0.320 2.557 8.053 CQUA350 9 0.360 2.376 7.336 过渡翼型 10 0.400 2.210 6.709 CQUA300 11 0.440 2.056 6.131 CQUA300 12 0.480 1.916 5.575 过渡翼型 13 0.520 1.786 5.033 CQUA250 14 0.560 1.668 4.509 CQUA250 15 0.600 1.561 4.006 过渡翼型 16 0.640 1.462 3.527 CQUA210 17 0.680 1.375 3.070 CQUA210 18 0.720 1.299 2.631 过渡翼型 19 0.760 1.235 2.207 CQUA180 20 0.800 1.180 1.796 CQUA180 21 0.840 1.118 1.397 CQUA180 22 0.880 1.035 1.012 过渡翼型 23 0.920 0.914 0.640 CQUA150 24 0.960 0.741 0.283 CQUA150 25 1.000 0.512 0 CQUA150           图2.3叶片弦长及扭角分布 三、叶片结构设计 如图3.1所示，1MW风力机叶片整体示意图。采用2个剪切梁截面形式，材料为复合材料玻璃纤维环氧树脂，如图3.2所示。该构造形式通过腹板将叶片内部分成三个部分，从左至右大致可分为翼型前缘、主梁及后缘部分。连接主梁的两个腹板由“三明治”夹心材料组成，如图3.3。叶片里外层为蒙皮，主要由胶衣布和双向复合材料层组成。胶衣布提供光滑的外表面，减少由于生产制造而造成的粗糙度问题。叶片主梁是主要承载件，主要承受挥舞方向的载荷，而腹板则主要承受拍打方向的载荷，