原標題：2MW風機葉片的結構設計及靜力學分析
2MW風機葉片的結構設計及靜力學分析題
作者蘆麗麗，祁文軍，王良英，陳海霞
來源：材料科學與工藝
摘 要：以２ ＭＷ 風力發電機葉片為研究對象，通過Ｍatlab 中的優化函數fmincon對風機葉片的關鍵參數（弦長、扭角、軸向和周向因子）進行優化．采用ＵＧ 建模，導入ＡＢＡＱＵＳ 分析軟件，將葉片分為葉片根部、主梁、前緣、后緣、腹板５ 個部分分區域鋪層后，對其施加載荷進行靜力學分析，分析不同部位應力和應變規律，同時對葉根部位的復合材料層間力進行分析．結果表明：葉片根部為應力最大部位，最大變形部位為葉片端部；—４５°鋪層的層間應力最大，而且應力隨鋪設角度的不同呈現出周期性變化．通過對葉片進行靜力學分析和層間力分析，能夠對葉片鋪層設計提供可靠的依據．
關鍵詞：風力發電機葉片；Ｍａｔｌａｂ；鋪層設計；靜力學分析；層間力
葉片是風力發電機最為復雜和關鍵的零部件，葉片性能的好壞將會直接影響到風力發電機的效率和使用壽命．目前，大型風力發電機的葉片基本上由各種復合材料制成，葉片與復合材料技術有著密切的聯系．為了實現葉片經濟效益的最大化，在葉片結構設計階段，葉片的模型設計和鋪層結構優化設計顯得尤為關鍵，因此，精確地創建葉片的三維模型以及鋪層結構是對葉片進行模擬分析的首要條件．目前，通常將葉片分為前緣、后緣、腹板、主梁和葉根５ 個結構進行建模，通過鋪層設計原則［１］以及遺傳算法［２］ 等對葉片各個結構分別進行鋪層優化，最終得到最優鋪層角度以及層數．
關于葉片的建模以及鋪層優化問題，國內外很多學者都對此進行了研究： Ｍｏｎｒｏｙ 等［３］ 針對低速風機葉片，采用有限元原理進行結構分析，根據研究提出新的設計方式，并分析其優越性；西南交通大學的王靜［４］ 針對葉片精準建模，對模型進行模態分析，位移及局部應變方面的驗證；華北電力大學的李琪［５］ 對１．５ ＭＷ 的風機葉片進行研究，設計了三維葉片模型的鋪層，完成靜力、模態和線性屈曲等分析．陳園［６］ 在對層壓板結構進行參數化設計的基礎時，采用遺傳算法對復合材料結構全局優化的方法．馮消冰等［２］ 通過使用遺傳算法對葉片的腹板、葉根以及梁帽進行了鋪層優化．本文利用Ｍａｔｌａｂ 中的優化函數ｆｍｉｎｃｏｎ 對軸向因子以及周向因子進行優化計算，從而得到弦長和扭角的對應關系，最終建立更加精確的葉片模型．通過ＵＧ 將模型導入ＡＢＡＱＵＳ，將葉片分為１０ 個截面進行鋪層，利用ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 軟件，計算額定轉速下葉片表面載荷，以及葉根部位的復合材料的層間力，最后對葉片不同部位應力和應變的變化規律進行分析說明．
01
葉片模型設計
參照國內２ ＭＷ 風力發電機葉片運行參數，本文選用三葉片風機，葉片數Ｂ ＝ ３，選取葉尖速比［６］ λ０ ＝８．
１.１ 翼型選擇
風機的運行效率與可靠性與翼型的氣動性能密切相關，為了設計出具有更錦工能捕獲能力和低氣動載荷的高性能葉片［７］ ，在風電應用初期階段，葉片外形比較小，載荷較低，對翼型的要求很低，主要選擇低速航空翼型，如ＮＡＣＡ４４系列和ＮＡＣＡ６３——２ 系列翼型等［８］ ．自２０ 世紀８０ 年代起，歐美國家陸續進行了風力機先進翼型的研究，研制了一批專用風力機翼型，如德國Ａｅｒｏｄｙｎ 公司的ＡＥ０２ 系列翼型、荷蘭的ＤＵ 翼型族、瑞典的ＦＦＡ 翼型族．其中，荷蘭的Ｄｅｌｆｔ 大學先后發展了相對厚度１５％——４０％的ＤＵ 系列翼型，而且在功率３５０——３ ５００ ｋＷ 的風力機上廣泛應用，本文選用ＤＵ 系列的翼型，翼型如圖１ 所示．
１.２ 葉片直徑設計
本文參考國內２ ＭＷ 風機的各項性能參數，設計風機葉片．因此，風輪直徑可按式（１） 進行估算：
１.３ 葉片長和扭角設計
風機葉片外形復雜，總體表現為展向扭曲，而且在展向方向上，弦長與扭角也大小迥異，不能夠簡單地將它們的特點進行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向將葉片劃分許多“截面”，對每個“截面”的數據進行計算，隨后對數據分析、擬合．
本文基于動量理論進行計算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的優化函數ｆｍｉｎｃｏｎ 進行優化計算，優化目標為使風能的轉換效率達到最大值，通過優化目標函數公式（２），條件方程為公式（３），利用迭代法計算軸向因子ａ 和周向因子ｂ．
優化目標函數：
條件方程：
其優化步驟為：１）根據葉素理論，沿葉片展向分成若干等截面；２）針對每截面，求解得出各個截面的軸向因子ａ、周向因子ｂ 和葉梢損失系數Ｆ；３）計算每個截面的流傾角，并根據β ＝Ｉ——α，計算每個截面的扭角；４）計算出各個截面的處的弦長；５）對計算結果進行改進．６）根據改進結果進行修正模型、建模．
利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并進行曲線擬合，結果見圖２——５，可以看出，經過擬合，曲線過渡光滑平穩．
１.４ ＵＧ 三維建模
由于風機葉片模型復雜，以及ＦＥＡ 軟件建模效果的局限性，必須借用三維軟件完成葉片精確模型的設計，本文利用表１ 中計算的葉片弦長ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中對導入翼型進行縮放和扭轉，完成葉片截面圖的創建，利用樣條曲線連接各個翼型，并建立主梁，最終模型如圖６ 所示．
02
葉片鋪層設計
２．１ 葉片材料選擇
本文采用目前常用的玻璃鋼材料Ｅ——玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料．
２．２ 葉片鋪層設計
在葉片運行過程中，由于環境對葉片各個部位施加的載荷不同，通常對葉片進行塊化處理，將葉片分為前緣、后緣、腹板和主梁４ 種結構．參照國內外和以往鋪層設計經驗［８——１４］ ，其設計原則如下［１２］ ：
１）為了最大限度地利用纖維軸向的高性能，應用０°鋪層承受軸向載荷；±４５°鋪層用來承受剪切載荷，即將剪切載荷分解為拉、壓分量來布置纖維承載；９０°鋪層用來承受橫向載荷，以避免樹脂直接受載．
２）為了提高葉片的抗屈曲性能，除布置較大比例的０°鋪層外，也要布置±４５°鋪層，以提高結構受壓穩定性．
３）構件應包含４ 種鋪層，一般在０°、±４５°層板中加入９０°的鋪層，構成正交異性板．對葉片不同結構進行鋪層設計，表２——５ 分別為葉片不同部位的鋪層順序表．
圖７ 為利用ＡＢＡＱＵＳ 對風機葉片不同部位建立鋪層后腹板和主梁的效果圖，從效果圖中可以直觀地看出不同位置的鋪層差異．
03
靜力學分析
３.１ 載荷計算
由于風機所處環境復雜，葉片表面載荷難以準確的計算和測量，一般都是利用風機專用分析軟件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算葉片表面的數據，本文利用ｂｌａｄｅｄ軟件計算風機葉片不同部位在額定風速下的載荷［１６］ ，將分析所得載荷加載在葉片表面，葉片加載位置和加載力與扭矩的大小如圖８ 和表６ 所示（在ＡＢＡＱＵＳ 中通過選擇節點和曲線添加載荷）．
３.２ 應力分布規律分析
由圖９ 葉片應力云圖可以看出，應力最大的位置出現在根部，而且分布較為復雜，其最大值為１５ ＭＰａ．此外，應力從葉根部位向葉尖部位逐漸減小，各分塊的處節點應力值的變化如圖１０——１５ 所示．圖１０ 為葉片根部截面的應力變化規律曲線，從圖中可以看出根部的應力基本都保持在兆帕級以上，而且力的大小呈現一個正態分布的形式，其原因是葉片的承受力主要集中在迎風面，所以迎風面的壓力較大，造成葉根部位迎風面的壓力大于壓力面．
圖１０、圖１１ 分別為后緣和前緣部位葉根到葉尖的應力變化曲線，可以看出：葉片表面的應力是從葉根向葉尖部位逐漸變小，而且在局部地方還有應力集中；后緣部位的應力突變的部位比前緣的多，而且變化更為嚴重，這是由于葉片翼型的后緣曲率較大，變化快，造成后緣應力集中部位較多．
３.２ 葉片根部復合材料應力變化規律分析
圖１６～１８ 分別為葉根部位４５°、－４５°、９０°和０°鋪設角度的Ｍｉｓｅｓ 應力云圖，可以看出，由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異， 最大應力出現在４５° 的鋪層中， 為１５．２ ＭＰａ，出現在第２ 層，然后是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ，出現在第５８ 層，再然后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ，出現在第１ 層，０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ，出現在第５２ 層．從應力云圖中可以看到，隨層數的變化，葉片上的應力差異在逐漸減小，而且應力最大的部位向葉片根部連接端移動．
圖２０ 為葉根部位鋪層自外向內的應力變化曲線，葉片根部部位單層層合板上的最大應力呈現周期性變化規律，與葉片根部鋪層的鋪設基本一致，雖然相同角度的不同位置的鋪層上的應力有一定的差異，但總體上差異遠小于鋪設角度的差別．圖２１ 為其最小應力的位置改變曲線，由圖形可知，最小應力出現在中間靠近葉片內腔的位置，這是因為葉片受到外力的作用導致應力變化向內轉移．
04
結 論
運用翼型設計軟件Ｐｒｏｆｉｌｉ、分析軟件Ｍａｔｌａｂ以及三維制圖軟件ＵＧ 和ＡＢＡＱＵＳ，能夠創建更貼近實際工程的風機葉片模型，通過ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算載荷以及對葉片加載分析后得到以下結論：
１）在額定風速下，由于葉片的承受力主要集中在迎風面，導致葉片根部應力的大小呈現一個正態分布的形式，應力大小基本保持在兆帕級，最大應力為１５ ＭＰａ．
２）通過對葉片根部不同鋪層應力分析可知：由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異，最大應力出現在４５°的鋪層中，為１５．２ ＭＰａ；第二是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ；之后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ； ０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ．
３）對葉片根部復合材料層間力分析可知，——４５°鋪層的層間應力最大，而且應力跟隨鋪設角度的不同而成周期性變化．
■ 來源:材料科學與工藝
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：
本發明屬于風機技術領域，尤其涉及一種直葉片徑流風機葉輪的設計方法。
背景技術：
風機的功能主要在于引導空氣流動進而達到散熱的目的，因此，為使散熱效率良好，風機對于空氣的引導效能必須良好，目前，以風機工作時空氣的流動方向劃分，風機有軸流和徑流式兩種。徑流式風機是根據動能轉換為勢能的原理，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉換成勢能。當電動機帶動葉輪工作時，氣體從軸向進入葉輪，氣體流經葉輪時改變成徑向，然后進入擴壓器。由于空氣在風機中由軸向流動變成徑向流動，所以稱徑流式風機，徑流風機的性能更多的體現在葉輪及風道的結構上，所以在行業探索中也多集中在結構、材質等方面。徑流風機作為工業的重要配套設備，更多地應用于電力、水泥、石油化工、煤炭、礦山和環保等領域，在新的經濟發展形勢下，未來徑流風機行業將繼續保持較快的增長。
徑流風機的葉輪設計，市場上主要采用的依據設計手冊，根據風量、風壓、轉速等需求數據，通過大量的計算推導，設計出一個大致滿足需求的基礎葉輪結構。設計得到的葉輪性能如何，還需要進一步的驗證，而后續的葉輪改進，卻是傳統設計方法很難解決的問題，大多數設計單位采用的是依據經驗局部修改模型，但是此種方法存在很大的盲目性和不確定性，還很有可能降低風機的性能，總之，在葉輪結構設計上，目前嚴重存在效率低、成本高昂等問題。
技術實現要素：
本發明針對現有技術不足，提供一種直葉片徑流風機葉輪的設計方法，只需對模型創建少量的參數，就能使徑流風機的葉輪結構千變萬化，后續結合CFD仿真分析，能夠測試出每種結構的性能，再根據分析結果對模型局部優化尋優，能夠迅速的得到性能更好的直葉片徑流風機葉輪模型。
為解決上述技術問題，本發明通過下述技術方案得以解決：一種直葉片徑流風機葉輪的設計方法，包括以下步驟：1、一種直葉片徑流風機葉輪的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：1：創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，將hub曲線和shroud曲線分別繞Z軸旋轉一周，創建hub曲面和shroud曲面，設置hub曲線和shroud曲線的控制點參數；2：創建葉片的基準曲線和基準點，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準曲線，在shroud曲線上定義一個點作為葉片最高位置的基準點，設置葉片基準曲線起止位置的參數以及shroud曲線上基準點位置的參數；3：創建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接葉片的基準曲線起點與shroud上定義的基準點，創建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉一周，創建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4：創建葉片中弧面根部曲線，通過中弧面形狀的方程控制曲線，控制葉片基準曲線沿葉輪周向進行變化，創建葉片中弧面的根部曲線，設置方程控制曲線A的控制點參數和形狀參數；5：創建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準點位置放置平面，將葉片中弧面根部曲線投影到平面上，然后使用根部曲線與投影曲線相連來創建中弧面初始曲面，用中弧面的前緣裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真實的葉片中弧面；6：創建葉片曲面，使用葉片截面厚度的方程控制曲線，使中弧面內部的每一條型線都向兩側偏移，生成葉片的截面輪廓曲線，將所有的截面輪廓曲線組合成一個葉片曲面，設置方程控制曲線B的控制點參數和形狀參數；7：創建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對葉片進行裁剪，創建葉片實體，將葉片實體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運算，創建整個葉輪，設置葉片數目參數。
上述方案中，優選的，所述hub曲線控制點參數包括hub曲線起點的半徑、高度，hub曲線終點的半徑、高度，hub曲線起始端的角度。
上述方案中，優選的，所述shroud曲線控制點參數包括shroud曲線起點的半徑、高度，shroud曲線終點的半徑、高度，shroud曲線起始端的角度和終止端的角度，shroud曲線中部圓角的半徑。
上述方案中，優選的，所述葉片基準曲線起止位置的參數，包括葉片基準曲線起始位置在hub曲線上所處的比率、葉片基準曲線終止位置在hub曲線上所處的比率。
上述方案中，優選的，所述shroud曲線上基準點位置的參數包括shroud曲線上基準點位置在shroud曲線上所處的比率。
上述方案中，優選的，所述步驟4中方程控制曲線A的控制點參數包括方程控制曲線A的起點高度和終點高度。
上述方案中，優選的，所述步驟4中方程控制曲線A的形狀參數包括方程控制曲線A的起始端曲率和終止端曲率。
上述方案中，優選的，所述步驟6中方程控制曲線B的控制點參數包括方程控制曲線B的起點高度、終點高度。
上述方案中，優選的，所述步驟6中方程控制曲線B的形狀參數包括方程控制曲線B的起始端曲率和終止端曲率。
本發明與現有技術相比，具有如下有益效果：本直葉片徑流徑流風機葉輪的結構設計，采用與傳統設計方法截然不同的思路，該設計為全參數化設計，能夠在任何想要控制的位置添加參數來控制模型，也可以使用模型的方程控制曲線來控制模型，能夠簡潔快速的創建一個直葉片徑流風機葉輪，而且在少量的控制參數驅動下，就能對模型進行最大范圍內的變形，之后使用CAESES等驅動工具，批量控制CFD分析，并將CFD的分析結果歸納判斷，再使模型的控制參數按照一定的規律重新變化，使模型最終達到一個最理想的狀態，采用本方法避開了模型設計和優化時候的盲目性和不確定性，直接節省了大量的人力和時間，為直葉片徑流風機葉輪的設計研究提供了更科學的途徑。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。
實施例1：以葉片數為5片的直葉片徑流徑流風機葉輪為例，設計方法為：1、創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，將hub曲線和shroud曲線分別繞Z軸旋轉一周，創建hub曲面和shroud曲面，設置hub曲線起點半徑45mm、高度10mm，hub曲線終點半徑125mm、高度0mm，hub曲線起始端角度20°；shroud曲線起點半徑90mm、高度100mm，shroud曲線終點半徑125mm、高度60mm；shroud曲線起始端的角度50°以及終止端的角度10°，shroud曲線中部圓角的半徑10mm；2、創建葉片的基準曲線和基準點，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準曲線，在shroud曲線上定義曲線長度方向的shroud曲線總長0.15倍位置點作為葉片最高位置的基準點，設置葉片基準曲線起始位置在hub曲線上所處的比率為0.15、葉片基準曲線終止位置在hub曲線上所處的比率0.88，shroud曲線上基準點位置在shroud曲線上所處的比率0.4；3、創建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接步驟2中設置的葉片的基準曲線起點與shroud曲線上的基準點，創建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉一周，創建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4、創建葉片中弧面根部曲線，設置中弧面形狀方程控制曲線A的起點高度為0.69mm、終點高度0.23mm、起始端角度-90°、終止端角度10°以及控制曲線影響因子60；5、創建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準點位置放置平面，將葉片中弧面根部曲線投影到平面上，然后使用根部曲線與投影曲線相連來創建中弧面初始曲面，用中弧面的前緣裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真實的葉片中弧面；6、創建葉片曲面，設置葉片截面厚度方程控制曲線B的起點高度5mm、終點高度3mm、起始端角度0°和終止端角度0°，使中弧面內部的每一條型線都向兩側偏移，生成葉片的截面輪廓曲線，將所有的截面輪廓曲線組合成一個葉片曲面；7、創建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對葉片進行裁剪，創建葉片實體，將葉片實體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運算，創建整個葉輪，最后設置葉片數目參數為5，獲得風機葉輪葉片為5片的風機葉輪。
實施例2：以葉片數為8片的直葉片徑流徑流風機葉輪為例，設計方法為：1、創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創建葉輪的hub曲線和shroud曲線，將hub曲線和shroud曲線分別繞Z軸旋轉一周，創建hub曲面和shroud曲面，設置hub曲線起點半徑100mm、高度50mm，hub曲線終點的半徑200mm、高度0mm，hub曲線起始端的角度50°，包括shroud曲線起點的半徑150mm、高度160mm，shroud曲線終點的半徑200mm、高度100mm，shroud曲線起始端的角度80°和終止端的角度20°，shroud曲線中部圓角的半徑30mm；2、創建葉片的基準曲線和基準點，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準曲線，在shroud曲線上定義曲線長度方向的shroud曲線總長0.16倍位置點作為葉片最高位置的基準點，設置葉片基準曲線起始位置在hub曲線上所處的比率為0.16、葉片基準曲線終止位置在hub曲線上所處的比率0.92，shroud曲線上基準點位置在shroud曲線上所處的比率0.4；3、創建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接步驟2中設置的葉片的基準曲線起點與shroud曲線上的基準點，創建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉一周，創建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4、創建葉片中弧面根部曲線，設置中弧面形狀方程控制曲線A的起點高度為0.9mm、終點高度0.3mm、起始端角度-80°、終止端角度30°以及控制曲線影響因子40；5、創建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準點位置放置平面，將葉片中弧面根部曲線投影到平面上，然后使用根部曲線與投影曲線相連來創建中弧面初始曲面，用中弧面的前緣裁剪曲面裁剪中弧面初始曲面，得到真實的葉片中弧面；6、創建葉片曲面，設置葉片截面厚度方程控制曲線B的起點高度7mm、終點高度5mm、起始端角度0°和終止端角度0°，使中弧面內部的每一條型線都向兩側偏移，生成葉片的截面輪廓曲線，將所有的截面輪廓曲線組合成一個葉片曲面；7、創建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對葉片進行裁剪，創建葉片實體，將葉片實體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運算，創建整個葉輪，最后設置葉片數目參數為8，獲得葉片為8片的風機葉輪。
可通過對不同設計參數的設置，獲得不同參數下的葉片，風機模型構建成功后，初始模型一般都不會是性能最優的，只要通過微調參數，對每一個變種模型進行相同的CFD分析，結合適當的優化算法，最終能夠在參數限定的范圍內，尋找到性能最優的模型。
本發明的保護范圍包括但不限于以上實施方式，本發明的保護范圍以權利要求書為準，任何對本技術做出的本領域的技術人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發明的保護范圍。
軸流風機葉片及其設計方法：為了降低彎板軸流風機的生產成本,發明的葉片從葉根到葉尖由等直彎板后緣和三角形平板兩部分組合而成：一部分為等弦長等彎度的等直彎板,另一部分為三角形平板。制作時只需計算葉尖與葉根處葉片剖面參數,以等直彎板與三角形平板的固連實現了葉尖到葉根各剖面的彎扭變化,取代了常規彎板風機葉片整體彎扭成型的方法,既滿足了風機高效率的要求,又簡化了軸流風機葉片設計、加工環節,達到了降低生產成本的目的。由于本發明減少了模具設計加工的周期和成本,特別適合小批量多型號風機的快速生產,使企業更容易適應市場對不同風機型號的需求。
軸流風機葉片,包括葉根、葉尖,其技術特征在于該葉片由固定聯
結的兩部分組成,其中一部分為從葉根到葉尖等弦長等彎度的等直彎板，另
一部分為三角形平板，且三角形平板的厚度及展長與第一部分的彎板相同。軸流式風機葉片,在葉片的葉尖處沿葉片的弦長方向排布有若干氣孔,該氣孔的方向垂直于葉片弦向表面,氣孔的孔徑為1-5mm,氣孔的深度為3-20mm,氣孔與葉片的邊緣處的距離為1-4mm。本發明與現有技術相比,不僅可以有效地避免葉片與筒體刮擦碰撞從而導致葉片折斷對風機造成的危害,同時還能有效地減小氣體沿軸向通過徑向間隙的泄漏量,提高風機的氣動效率,并且還有加工簡單、制造成本低的優點。
風機葉片結構設計
如我們在氣動部分所提到的，葉片的設計初衷就是獲得動力學效率和結構設計的平衡。
材料和工藝的選擇決定了葉片最終的實際厚度和成本。因此結構設計人員在如何將設計
原則和制造工藝相結合的工作中扮演著重要角色，設計人員必須找出在保證性能與降低
成本之間的最優方案。
葉片受力分析
葉片上承受的推力驅動葉片轉動。推力的分布不是均勻的而是與葉片長度成比例分布。
葉尖部承受的推力要大于葉根部。如此設計的原因在前文已經提到過。
外部的推力除了驅動葉片轉動，也會使其產生一定的彎曲。從葉根到葉尖彎曲程度逐
漸加大。葉尖處距離支點最遠因此變形量最大。葉根承受最大的力矩，在葉尖處力矩
為零。
力矩和葉片位置關系圖
因此在葉片設計中，葉根部具有最大的厚度和最高的強度，向葉尖部過渡的過程中厚度
逐漸減小。這也符合空氣動力學的設計要求：尖部弦長最短，牽引力最為重要因此需要
較薄的厚度。此外在強風條件下葉片需要停轉進行功率調節，葉尖部較薄的結構更容易
停下。葉根部的弦長最大，產生的推力最小，葉殼鋪層厚度的增加可以提高推力。
但是為了達到需要的強度和模量而設計的鋪層厚度已經超過了氣動設計所需要的最佳厚
度，因此在設計時需要綜合考量。
WE Handbook- 3- Structural Design
內部梁結構
如果葉片內部采取實心結構則厚度的設計就變得非常簡單，只需要依據彎曲力矩進行設
計即可。但實心結構受力時，葉片向下彎曲時上表面的材料受到拉力，下表面的材料受
到壓力，中間部分的材料受力較少而沒有發揮出最大的作用。因此為了降低生產成本，
設計中可以去除一些不必要的材料，所以常見的葉片都采用了中空式設計。
還有一種極端的設計方案，就是將葉片分成上下兩部分，中間完全不用任何連接。而實
際應用中無論從剪切強度和空氣動力學設計上考量這種設計都是不可行的。首先從空氣
動力學角度出發整個葉殼必須是連續的整體。此外從剪切強度出發如果沒有任何連接，
兩部分沒有形成一體，使用中會發生相對滑動，也不能承擔彎曲載荷，葉片中連接上下
梁帽的連接部件稱為抗減腹板。這種設計與工字梁的原理相同。
Steel I-Beam Blade with spar caps Blade with box spar
& shear web
葉片的整體結構原理上與工字梁相同，區別只是在于為了形成空氣動力學外形在工字梁
外面包裹了一層葉殼。主要的彎曲載荷由梁帽承擔，葉殼只承擔少量彎曲載荷。剪切腹
板的連接方式主要有兩種：上下兩片梁帽加以中間腹板連接，或者是梁帽和腹板做成一
體稱為盒式大梁，再通過結構膠與葉殼粘接。
鋪層取向
現代的風機葉片主要采用玻璃鋼材料生產，玻璃鋼與木材和金屬相比具有更高的比強
度，尤其適用于制造像風機葉片之類的大尺寸薄層構件。因為風機葉片中主要載荷集中
在一個方向，便于纖維布的鋪設。例如梁帽中所有纖維都沿著葉片長度方向排列，因為
葉片長度方向是彎曲載荷的主要加載方向（上表面受拉伸載荷，下表面受壓縮載荷）。
腹板中的纖維鋪放應為對角取向，這樣可以確保在腹板與梁帽交接處纖維取向與所有方
向都成45度角。
WE Handbook- 3- Structural Design
上圖所示是由三根棒材通過固定銷連接而成的框架結構。在對這個結構施加載荷時，框
架會由長方形變成菱形，棒材尺寸沒有發生變化，而對角線尺寸則發生了明顯改變，一
條伸長另一條縮短。因此為了保證框架剛性需要增加兩個對角方向的固定棒材。
通過增加更多的對角棒材可以延長框架的長度直至形成一個長梁結構，每一部分都需要
有對角棒材保證剪切剛性。兩個棒材缺一不可，一個承擔拉伸載荷，另一個承擔壓縮載
荷。整體載荷達到平衡，橫向保證上下梁帽均勻分開，縱向保證梁帽不發生剪切滑動。
單向織物用于制造梁帽，±45°雙向織物用于制造抗剪腹板，在梁帽制備中也會用到一
些雙向織物，目的是為了在單向織物間傳遞載荷。對于使用盒式大梁的葉片，采用雙向
織物與單向織物交叉鋪放方式。對于使用抗剪腹板的葉片，采用附加雙向織物增強的方
式。對于后者在制造中需要特別注意抗剪腹板和梁帽的充分重疊，以保證載荷可以通過
相對較弱的結構膠粘合面順利傳遞。
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