风机叶片结构设计.pdf

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1、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

2、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。WEHandbook-3-StructuralDesign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，

3、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

4、件称为抗减腹板。这种设计与工字梁的原理相同。SteelI-BeamBladewithsparcapsBladewithboxspar&shearweb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

5、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。WEHandbook-3-StructuralDesignLiftanddragatdifferentanglesofattack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

6、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

7、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。WEHandbook-3-StructuralDesign3几何尺寸优化设计设计人员可以在不改变叶片几何外形的条件下，通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能，降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽，这样做却增加了生产成本。同时腹板强度也需要提高，但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。综上所述，几何尺寸的优化设计需要从风机设计，载荷分析，结构设计和制造成本等多方面综合考量才能获得最佳的结果。疲劳性能众所周知在疲劳外力作用下，部件往往会在较低的载荷下发生破坏，而这个载荷远低于断裂载荷

8、。例如在金属结构中的金属疲劳现象，一个很好的例子是当一个金属材质的调匙被反复的弯曲后最终会发生