风力发电机的叶片结构设计开题报告(5)
7.1.2 屈曲分析
大型风力机叶片采用空腔结构形式，在弯曲气动荷载作用下叶片局部受压区域由于刚度下降而发生突然损坏，称为屈曲失稳现象。叶片后缘空腔较宽，易发生失稳。
屈曲分析可采用近似方法。可近似应用曲板的轴压稳定公式于O型、D型等主梁结构或空腹壳体：
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式中，E 为面板模量，D为弯曲刚度，H为拉伸刚度，K是由办的长宽比和弯曲、剪切刚度决定的常数。临界应力计算受计算方法、材料性能、制造工艺等因素影响，与实际临界应力值有较大的误差，故需要有较大的安全系数。
通过屈曲分析，得到每一剖面的临界压应力。初步设计计算可满足工程要求，但优化设计采应用有限元方法。
7.1.3 动态特性分析
叶片的动态特性包括频率、响应、振颤。由于风荷载具有交变性及随机性，在静态分析的基础上再考虑一个动态因子比较粗糙。较精确的方法是采用动力响应方法，但受计算模型、叶片动态参数等影响，计算结果误差也不会小。叶片颤振的发生是由于弯扭振动中某些参数耦合影响所导致的。国外资料认为，对于采用柔性叶片性塔架方案的风力机存在的颤振可能性，但对于刚性较好的叶片，发生颤振的可能性不大。因此从工程设计考虑，叶片动态分析最重要的是频率计算。调整叶片固有频率，以避开叶片的共振区，从而降低叶片的动应力。叶片各剖面扭角不同，故主惯性轴是不平行的，这就会产生X和Y方向的弯曲耦合振动。叶片旋转时还会产生离心力，离心力会使各剖面受到轴向拉力，相当于增加了叶片的弯曲刚度，使叶片的弯曲频率增加。一般离心力对叶片的一阶频率影响较大，而对二阶以上的频率影响不大。这里给出较简单的双弯曲耦合振动方程。经过一系列计算表明，一阶振动方向频率与实验结果很接近，误差不超过10%，能满足设计要求。叶片的双弯曲耦合振动方程：
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以上方程可采用数值方法求解。方程Ix、Iy、Ixy为惯性矩和惯性积，u、v为x、y方向的位移，m为单位长度的质量，ω为叶片固有频率。作用在叶片上的激振力的频率为叶片转速的整数倍，此外气动激振力频率与叶片数也有关。通常认为3叶片的风力机，气动激振力以3倍转速频率（简称3P）的谐波分量为最大。因此叶片的固有频率接近转速频率某一整数倍的一定范围，就会产生较大的动应力，使叶片具有共振的性质。为避免共振，叶片的固有频率需离开共振频率一定距离，这个距离通常用百分比表示，称为叶片的共振安全频率。风力机转速有一定的波动，故要求风力机叶片固有频率避开共振频率应更大些。为制定风力机叶片动态标准，应展开叶片动应力测试和频谱分析，以了解动载荷的各谐波情况，为制定标准提供依据。
7.2 叶片截面设计方法
现有多种设计模型，较具有代表性的有基于圆盘理论的简化设计模型，其设计精度较差；基于涡流理论的Schmitz设计模型；以动量——叶素理论为基础的Glauert设计模型；Wilson设计模型，其设计精度较高；以自由尾涡理论为基础设计等。常用的Glauert方法和Wilson方法，其理论模型相当成熟。
Glauert法考虑了叶轮后涡流流动的叶素理论（即考虑了干扰因子a和b），由于叶片翼型阻力和叶梢损失对叶片外形设计的影响较小，但对风轮的效率Cp影响较大，故忽略不计。Wilson法在Glauert法的基础上作了改进，研究了梢部损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并且研究了叶轮在非设计工况下的性能。修正的Wilson法也被称为条带理论（Strip Theory）。
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