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原標(biāo)題：2MW風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析
2MW風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析題
作者蘆麗麗，祁文軍，王良英，陳海霞
來源：材料科學(xué)與工藝
摘 要：以２ ＭＷ 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為研究對(duì)象，通過Ｍatlab 中的優(yōu)化函數(shù)fmincon對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的關(guān)鍵參數(shù)（弦長、扭角、軸向和周向因子）進(jìn)行優(yōu)化．采用ＵＧ 建模，導(dǎo)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(gè)部分分區(qū)域鋪層后，對(duì)其施加載荷進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析不同部位應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律，同時(shí)對(duì)葉根部位的復(fù)合材料層間力進(jìn)行分析．結(jié)果表明：葉片根部為應(yīng)力最大部位，最大變形部位為葉片端部；—４５°鋪層的層間應(yīng)力最大，而且應(yīng)力隨鋪設(shè)角度的不同呈現(xiàn)出周期性變化．通過對(duì)葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析和層間力分析，能夠?qū)θ~片鋪層設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)．
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片；Ｍａｔｌａｂ；鋪層設(shè)計(jì)；靜力學(xué)分析；層間力
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為復(fù)雜和關(guān)鍵的零部件，葉片性能的好壞將會(huì)直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和使用壽命．目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本上由各種復(fù)合材料制成，葉片與復(fù)合材料技術(shù)有著密切的聯(lián)系．為了實(shí)現(xiàn)葉片經(jīng)濟(jì)效益的最大化，在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，葉片的模型設(shè)計(jì)和鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵，因此，精確地創(chuàng)建葉片的三維模型以及鋪層結(jié)構(gòu)是對(duì)葉片進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過鋪層設(shè)計(jì)原則［１］以及遺傳算法［２］ 等對(duì)葉片各個(gè)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行鋪層優(yōu)化，最終得到最優(yōu)鋪層角度以及層數(shù)．
關(guān)于葉片的建模以及鋪層優(yōu)化問題，國內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了研究： Ｍｏｎｒｏｙ 等［３］ 針對(duì)低速風(fēng)機(jī)葉片，采用有限元原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)研究提出新的設(shè)計(jì)方式，并分析其優(yōu)越性；西南交通大學(xué)的王靜［４］ 針對(duì)葉片精準(zhǔn)建模，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，位移及局部應(yīng)變方面的驗(yàn)證；華北電力大學(xué)的李琪［５］ 對(duì)１．５ ＭＷ 的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了三維葉片模型的鋪層，完成靜力、模態(tài)和線性屈曲等分析．陳園［６］ 在對(duì)層壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)時(shí)，采用遺傳算法對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全局優(yōu)化的方法．馮消冰等［２］ 通過使用遺傳算法對(duì)葉片的腹板、葉根以及梁帽進(jìn)行了鋪層優(yōu)化．本文利用Ｍａｔｌａｂ 中的優(yōu)化函數(shù)ｆｍｉｎｃｏｎ 對(duì)軸向因子以及周向因子進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而得到弦長和扭角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終建立更加精確的葉片模型．通過ＵＧ 將模型導(dǎo)入ＡＢＡＱＵＳ，將葉片分為１０ 個(gè)截面進(jìn)行鋪層，利用ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 軟件，計(jì)算額定轉(zhuǎn)速下葉片表面載荷，以及葉根部位的復(fù)合材料的層間力，最后對(duì)葉片不同部位應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行分析說明．
01
葉片模型設(shè)計(jì)
參照國內(nèi)２ ＭＷ 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片運(yùn)行參數(shù)，本文選用三葉片風(fēng)機(jī)，葉片數(shù)Ｂ ＝ ３，選取葉尖速比［６］ λ０ ＝８．
?。?１ 翼型選擇
風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率與可靠性與翼型的氣動(dòng)性能密切相關(guān)，為了設(shè)計(jì)出具有更錦工能捕獲能力和低氣動(dòng)載荷的高性能葉片［７］ ，在風(fēng)電應(yīng)用初期階段，葉片外形比較小，載荷較低，對(duì)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(jì)８０ 年代起，歐美國家陸續(xù)進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)先進(jìn)翼型的研究，研制了一批專用風(fēng)力機(jī)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(xué)先后發(fā)展了相對(duì)厚度１５％——４０％的ＤＵ 系列翼型，而且在功率３５０——３ ５００ ｋＷ 的風(fēng)力機(jī)上廣泛應(yīng)用，本文選用ＤＵ 系列的翼型，翼型如圖１ 所示．
?。?２ 葉片直徑設(shè)計(jì)
本文參考國內(nèi)２ ＭＷ 風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)葉片．因此，風(fēng)輪直徑可按式（１） 進(jìn)行估算：
?。?３ 葉片長和扭角設(shè)計(jì)
風(fēng)機(jī)葉片外形復(fù)雜，總體表現(xiàn)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(diǎn)進(jìn)行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向?qū)⑷~片劃分許多“截面”，對(duì)每個(gè)“截面”的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，隨后對(duì)數(shù)據(jù)分析、擬合．
本文基于動(dòng)量理論進(jìn)行計(jì)算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的優(yōu)化函數(shù)ｆｍｉｎｃｏｎ 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化目標(biāo)為使風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)公式（２），條件方程為公式（３），利用迭代法計(jì)算軸向因子ａ 和周向因子ｂ．
優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
條件方程：
其優(yōu)化步驟為：１）根據(jù)葉素理論，沿葉片展向分成若干等截面；２）針對(duì)每截面，求解得出各個(gè)截面的軸向因子ａ、周向因子ｂ 和葉梢損失系數(shù)Ｆ；３）計(jì)算每個(gè)截面的流傾角，并根據(jù)β ＝Ｉ——α，計(jì)算每個(gè)截面的扭角；４）計(jì)算出各個(gè)截面的處的弦長；５）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)．６）根據(jù)改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行修正模型、建模．
利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見圖２——５，可以看出，經(jīng)過擬合，曲線過渡光滑平穩(wěn)．
?。?４ ＵＧ 三維建模
由于風(fēng)機(jī)葉片模型復(fù)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(shè)計(jì)，本文利用表１ 中計(jì)算的葉片弦長ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中對(duì)導(dǎo)入翼型進(jìn)行縮放和扭轉(zhuǎn)，完成葉片截面圖的創(chuàng)建，利用樣條曲線連接各個(gè)翼型，并建立主梁，最終模型如圖６ 所示．
02
葉片鋪層設(shè)計(jì)
?。玻?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(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料．
?。玻?葉片鋪層設(shè)計(jì)
在葉片運(yùn)行過程中，由于環(huán)境對(duì)葉片各個(gè)部位施加的載荷不同，通常對(duì)葉片進(jìn)行塊化處理，將葉片分為前緣、后緣、腹板和主梁４ 種結(jié)構(gòu)．參照國內(nèi)外和以往鋪層設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)［８——１４］ ，其設(shè)計(jì)原則如下［１２］ ：
?。保榱俗畲笙薅鹊乩美w維軸向的高性能，應(yīng)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．
?。玻榱颂岣呷~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(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性．
?。常?gòu)件應(yīng)包含４ 種鋪層，一般在０°、±４５°層板中加入９０°的鋪層，構(gòu)成正交異性板．對(duì)葉片不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，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(duì)風(fēng)機(jī)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(xué)分析
?。?１ 載荷計(jì)算
由于風(fēng)機(jī)所處環(huán)境復(fù)雜，葉片表面載荷難以準(zhǔn)確的計(jì)算和測量，一般都是利用風(fēng)機(jī)專用分析軟件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計(jì)算葉片表面的數(shù)據(jù)，本文利用ｂｌａｄｅｄ軟件計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片不同部位在額定風(fēng)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(jié)點(diǎn)和曲線添加載荷）．
?。?２ 應(yīng)力分布規(guī)律分析
由圖９ 葉片應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在根部，而且分布較為復(fù)雜，其最大值為１５ ＭＰａ．此外，應(yīng)力從葉根部位向葉尖部位逐漸減小，各分塊的處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的變化如圖１０——１５ 所示．圖１０ 為葉片根部截面的應(yīng)力變化規(guī)律曲線，從圖中可以看出根部的應(yīng)力基本都保持在兆帕級(jí)以上，而且力的大小呈現(xiàn)一個(gè)正態(tài)分布的形式，其原因是葉片的承受力主要集中在迎風(fēng)面，所以迎風(fēng)面的壓力較大，造成葉根部位迎風(fēng)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(yīng)力變化曲線，可以看出：葉片表面的應(yīng)力是從葉根向葉尖部位逐漸變小，而且在局部地方還有應(yīng)力集中；后緣部位的應(yīng)力突變的部位比前緣的多，而且變化更為嚴(yán)重，這是由于葉片翼型的后緣曲率較大，變化快，造成后緣應(yīng)力集中部位較多．
?。?２ 葉片根部復(fù)合材料應(yīng)力變化規(guī)律分析
圖１６～１８ 分別為葉根部位４５°、－４５°、９０°和０°鋪設(shè)角度的Ｍｉｓｅｓ 應(yīng)力云圖，可以看出，由于復(fù)合材料的鋪設(shè)角度不同，層和板的應(yīng)力存在明顯的差異， 最大應(yīng)力出現(xiàn)在４５° 的鋪層中， 為１５．２ ＭＰａ，出現(xiàn)在第２ 層，然后是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ，出現(xiàn)在第５８ 層，再然后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ，出現(xiàn)在第１ 層，０°鋪層的應(yīng)力最小，是９．７ ＭＰａ，出現(xiàn)在第５２ 層．從應(yīng)力云圖中可以看到，隨層數(shù)的變化，葉片上的應(yīng)力差異在逐漸減小，而且應(yīng)力最大的部位向葉片根部連接端移動(dòng)．
圖２０ 為葉根部位鋪層自外向內(nèi)的應(yīng)力變化曲線，葉片根部部位單層層合板上的最大應(yīng)力呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，與葉片根部鋪層的鋪設(shè)基本一致，雖然相同角度的不同位置的鋪層上的應(yīng)力有一定的差異，但總體上差異遠(yuǎn)小于鋪設(shè)角度的差別．圖２１ 為其最小應(yīng)力的位置改變曲線，由圖形可知，最小應(yīng)力出現(xiàn)在中間靠近葉片內(nèi)腔的位置，這是因?yàn)槿~片受到外力的作用導(dǎo)致應(yīng)力變化向內(nèi)轉(zhuǎn)移．
04
結(jié) 論
運(yùn)用翼型設(shè)計(jì)軟件Ｐｒｏｆｉｌｉ、分析軟件Ｍａｔｌａｂ以及三維制圖軟件ＵＧ 和ＡＢＡＱＵＳ，能夠創(chuàng)建更貼近實(shí)際工程的風(fēng)機(jī)葉片模型，通過ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計(jì)算載荷以及對(duì)葉片加載分析后得到以下結(jié)論：
?。保┰陬~定風(fēng)速下，由于葉片的承受力主要集中在迎風(fēng)面，導(dǎo)致葉片根部應(yīng)力的大小呈現(xiàn)一個(gè)正態(tài)分布的形式，應(yīng)力大小基本保持在兆帕級(jí)，最大應(yīng)力為１５ ＭＰａ．
２）通過對(duì)葉片根部不同鋪層應(yīng)力分析可知：由于復(fù)合材料的鋪設(shè)角度不同，層和板的應(yīng)力存在明顯的差異，最大應(yīng)力出現(xiàn)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(yīng)力最小，是９．７ ＭＰａ．
?。常?duì)葉片根部復(fù)合材料層間力分析可知，——４５°鋪層的層間應(yīng)力最大，而且應(yīng)力跟隨鋪設(shè)角度的不同而成周期性變化．
■ 來源:材料科學(xué)與工藝
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本發(fā)明屬于風(fēng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)機(jī)的功能主要在于引導(dǎo)空氣流動(dòng)進(jìn)而達(dá)到散熱的目的，因此，為使散熱效率良好，風(fēng)機(jī)對(duì)于空氣的引導(dǎo)效能必須良好，目前，以風(fēng)機(jī)工作時(shí)空氣的流動(dòng)方向劃分，風(fēng)機(jī)有軸流和徑流式兩種。徑流式風(fēng)機(jī)是根據(jù)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢能的原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢能。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪工作時(shí)，氣體從軸向進(jìn)入葉輪，氣體流經(jīng)葉輪時(shí)改變成徑向，然后進(jìn)入擴(kuò)壓器。由于空氣在風(fēng)機(jī)中由軸向流動(dòng)變成徑向流動(dòng)，所以稱徑流式風(fēng)機(jī)，徑流風(fēng)機(jī)的性能更多的體現(xiàn)在葉輪及風(fēng)道的結(jié)構(gòu)上，所以在行業(yè)探索中也多集中在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等方面。徑流風(fēng)機(jī)作為工業(yè)的重要配套設(shè)備，更多地應(yīng)用于電力、水泥、石油化工、煤炭、礦山和環(huán)保等領(lǐng)域，在新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢下，未來徑流風(fēng)機(jī)行業(yè)將繼續(xù)保持較快的增長。
徑流風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)，市場上主要采用的依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速等需求數(shù)據(jù)，通過大量的計(jì)算推導(dǎo)，設(shè)計(jì)出一個(gè)大致滿足需求的基礎(chǔ)葉輪結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)得到的葉輪性能如何，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，而后續(xù)的葉輪改進(jìn)，卻是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難解決的問題，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位采用的是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(fēng)機(jī)的性能，總之，在葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，目前嚴(yán)重存在效率低、成本高昂等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法，只需對(duì)模型創(chuàng)建少量的參數(shù)，就能使徑流風(fēng)機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，后續(xù)結(jié)合CFD仿真分析，能夠測試出每種結(jié)構(gòu)的性能，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型局部優(yōu)化尋優(yōu)，能夠迅速的得到性能更好的直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪模型。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案得以解決：一種直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：1、一種直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：1：創(chuàng)建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創(chuàng)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(zhuǎn)一周，創(chuàng)建hub曲面和shroud曲面，設(shè)置hub曲線和shroud曲線的控制點(diǎn)參數(shù)；2：創(chuàng)建葉片的基準(zhǔn)曲線和基準(zhǔn)點(diǎn)，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準(zhǔn)曲線，在shroud曲線上定義一個(gè)點(diǎn)作為葉片最高位置的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置葉片基準(zhǔn)曲線起止位置的參數(shù)以及shroud曲線上基準(zhǔn)點(diǎn)位置的參數(shù)；3：創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接葉片的基準(zhǔn)曲線起點(diǎn)與shroud上定義的基準(zhǔn)點(diǎn)，創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，創(chuàng)建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4：創(chuàng)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(zhǔn)曲線沿葉輪周向進(jìn)行變化，創(chuàng)建葉片中弧面的根部曲線，設(shè)置方程控制曲線A的控制點(diǎn)參數(shù)和形狀參數(shù)；5：創(chuàng)建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準(zhǔn)點(diǎn)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(chuàng)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(shí)的葉片中弧面；6：創(chuàng)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(nèi)部的每一條型線都向兩側(cè)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(gè)葉片曲面，設(shè)置方程控制曲線B的控制點(diǎn)參數(shù)和形狀參數(shù)；7：創(chuàng)建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對(duì)葉片進(jìn)行裁剪，創(chuàng)建葉片實(shí)體，將葉片實(shí)體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運(yùn)算，創(chuàng)建整個(gè)葉輪，設(shè)置葉片數(shù)目參數(shù)。
上述方案中，優(yōu)選的，所述hub曲線控制點(diǎn)參數(shù)包括hub曲線起點(diǎn)的半徑、高度，hub曲線終點(diǎn)的半徑、高度，hub曲線起始端的角度。
上述方案中，優(yōu)選的，所述shroud曲線控制點(diǎn)參數(shù)包括shroud曲線起點(diǎn)的半徑、高度，shroud曲線終點(diǎn)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(yōu)選的，所述葉片基準(zhǔn)曲線起止位置的參數(shù)，包括葉片基準(zhǔn)曲線起始位置在hub曲線上所處的比率、葉片基準(zhǔn)曲線終止位置在hub曲線上所處的比率。
上述方案中，優(yōu)選的，所述shroud曲線上基準(zhǔn)點(diǎn)位置的參數(shù)包括shroud曲線上基準(zhǔn)點(diǎn)位置在shroud曲線上所處的比率。
上述方案中，優(yōu)選的，所述步驟4中方程控制曲線A的控制點(diǎn)參數(shù)包括方程控制曲線A的起點(diǎn)高度和終點(diǎn)高度。
上述方案中，優(yōu)選的，所述步驟4中方程控制曲線A的形狀參數(shù)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(yōu)選的，所述步驟6中方程控制曲線B的控制點(diǎn)參數(shù)包括方程控制曲線B的起點(diǎn)高度、終點(diǎn)高度。
上述方案中，優(yōu)選的，所述步驟6中方程控制曲線B的形狀參數(shù)包括方程控制曲線B的起始端曲率和終止端曲率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：本直葉片徑流徑流風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法截然不同的思路，該設(shè)計(jì)為全參數(shù)化設(shè)計(jì)，能夠在任何想要控制的位置添加參數(shù)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(chuàng)建一個(gè)直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪，而且在少量的控制參數(shù)驅(qū)動(dòng)下，就能對(duì)模型進(jìn)行最大范圍內(nèi)的變形，之后使用CAESES等驅(qū)動(dòng)工具，批量控制CFD分析，并將CFD的分析結(jié)果歸納判斷，再使模型的控制參數(shù)按照一定的規(guī)律重新變化，使模型最終達(dá)到一個(gè)最理想的狀態(tài)，采用本方法避開了模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)候的盲目性和不確定性，直接節(jié)省了大量的人力和時(shí)間，為直葉片徑流風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)研究提供了更科學(xué)的途徑。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
實(shí)施例1：以葉片數(shù)為5片的直葉片徑流徑流風(fēng)機(jī)葉輪為例，設(shè)計(jì)方法為：1、創(chuàng)建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創(chuàng)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(zhuǎn)一周，創(chuàng)建hub曲面和shroud曲面，設(shè)置hub曲線起點(diǎn)半徑45mm、高度10mm，hub曲線終點(diǎn)半徑125mm、高度0mm，hub曲線起始端角度20°；shroud曲線起點(diǎn)半徑90mm、高度100mm，shroud曲線終點(diǎn)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(chuàng)建葉片的基準(zhǔn)曲線和基準(zhǔn)點(diǎn)，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準(zhǔn)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(diǎn)作為葉片最高位置的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置葉片基準(zhǔn)曲線起始位置在hub曲線上所處的比率為0.15、葉片基準(zhǔn)曲線終止位置在hub曲線上所處的比率0.88，shroud曲線上基準(zhǔn)點(diǎn)位置在shroud曲線上所處的比率0.4；3、創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接步驟2中設(shè)置的葉片的基準(zhǔn)曲線起點(diǎn)與shroud曲線上的基準(zhǔn)點(diǎn)，創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，創(chuàng)建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4、創(chuàng)建葉片中弧面根部曲線，設(shè)置中弧面形狀方程控制曲線A的起點(diǎn)高度為0.69mm、終點(diǎn)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(chuàng)建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準(zhǔn)點(diǎn)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(chuàng)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(shí)的葉片中弧面；6、創(chuàng)建葉片曲面，設(shè)置葉片截面厚度方程控制曲線B的起點(diǎn)高度5mm、終點(diǎn)高度3mm、起始端角度0°和終止端角度0°，使中弧面內(nèi)部的每一條型線都向兩側(cè)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(gè)葉片曲面；7、創(chuàng)建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對(duì)葉片進(jìn)行裁剪，創(chuàng)建葉片實(shí)體，將葉片實(shí)體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運(yùn)算，創(chuàng)建整個(gè)葉輪，最后設(shè)置葉片數(shù)目參數(shù)為5，獲得風(fēng)機(jī)葉輪葉片為5片的風(fēng)機(jī)葉輪。
實(shí)施例2：以葉片數(shù)為8片的直葉片徑流徑流風(fēng)機(jī)葉輪為例，設(shè)計(jì)方法為：1、創(chuàng)建葉輪的hub曲線和shroud曲線，在Y-X-Z平面上創(chuàng)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(zhuǎn)一周，創(chuàng)建hub曲面和shroud曲面，設(shè)置hub曲線起點(diǎn)半徑100mm、高度50mm，hub曲線終點(diǎn)的半徑200mm、高度0mm，hub曲線起始端的角度50°，包括shroud曲線起點(diǎn)的半徑150mm、高度160mm，shroud曲線終點(diǎn)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(chuàng)建葉片的基準(zhǔn)曲線和基準(zhǔn)點(diǎn)，在hub曲線上選擇其中的一段作為葉片的基準(zhǔn)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(diǎn)作為葉片最高位置的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置葉片基準(zhǔn)曲線起始位置在hub曲線上所處的比率為0.16、葉片基準(zhǔn)曲線終止位置在hub曲線上所處的比率0.92，shroud曲線上基準(zhǔn)點(diǎn)位置在shroud曲線上所處的比率0.4；3、創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，通過光順曲線連接步驟2中設(shè)置的葉片的基準(zhǔn)曲線起點(diǎn)與shroud曲線上的基準(zhǔn)點(diǎn)，創(chuàng)建中弧面的前緣控制曲線，將前緣控制曲線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，創(chuàng)建葉片中弧面的前緣裁剪曲面；4、創(chuàng)建葉片中弧面根部曲線，設(shè)置中弧面形狀方程控制曲線A的起點(diǎn)高度為0.9mm、終點(diǎn)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(chuàng)建最終的葉片中弧面，在shroud曲線上的基準(zhǔn)點(diǎn)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(chuàng)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(shí)的葉片中弧面；6、創(chuàng)建葉片曲面，設(shè)置葉片截面厚度方程控制曲線B的起點(diǎn)高度7mm、終點(diǎn)高度5mm、起始端角度0°和終止端角度0°，使中弧面內(nèi)部的每一條型線都向兩側(cè)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(gè)葉片曲面；7、創(chuàng)建葉輪，使用中弧面的尾緣邊線繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周生成葉片尾緣裁剪曲面，與hub曲面和shroud曲面一起對(duì)葉片進(jìn)行裁剪，創(chuàng)建葉片實(shí)體，將葉片實(shí)體繞Z軸圓周陣列后，與hub和shroud曲面布爾運(yùn)算，創(chuàng)建整個(gè)葉輪，最后設(shè)置葉片數(shù)目參數(shù)為8，獲得葉片為8片的風(fēng)機(jī)葉輪。
可通過對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置，獲得不同參數(shù)下的葉片，風(fēng)機(jī)模型構(gòu)建成功后，初始模型一般都不會(huì)是性能最優(yōu)的，只要通過微調(diào)參數(shù)，對(duì)每一個(gè)變種模型進(jìn)行相同的CFD分析，結(jié)合適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，最終能夠在參數(shù)限定的范圍內(nèi)，尋找到性能最優(yōu)的模型。
本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于以上實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，任何對(duì)本技術(shù)做出的本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的替換、變形、改進(jìn)均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
軸流風(fēng)機(jī)葉片及其設(shè)計(jì)方法：為了降低彎板軸流風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)成本,發(fā)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(shí)只需計(jì)算葉尖與葉根處葉片剖面參數(shù),以等直彎板與三角形平板的固連實(shí)現(xiàn)了葉尖到葉根各剖面的彎扭變化,取代了常規(guī)彎板風(fēng)機(jī)葉片整體彎扭成型的方法,既滿足了風(fēng)機(jī)高效率的要求,又簡化了軸流風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)、加工環(huán)節(jié),達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的目的。由于本發(fā)明減少了模具設(shè)計(jì)加工的周期和成本,特別適合小批量多型號(hào)風(fēng)機(jī)的快速生產(chǎn),使企業(yè)更容易適應(yīng)市場對(duì)不同風(fēng)機(jī)型號(hào)的需求。
軸流風(fēng)機(jī)葉片,包括葉根、葉尖,其技術(shù)特征在于該葉片由固定聯(lián)
結(jié)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(fēng)機(jī)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,不僅可以有效地避免葉片與筒體刮擦碰撞從而導(dǎo)致葉片折斷對(duì)風(fēng)機(jī)造成的危害,同時(shí)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(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率,并且還有加工簡單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。
風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如我們?cè)跉鈩?dòng)部分所提到的，葉片的設(shè)計(jì)初衷就是獲得動(dòng)力學(xué)效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平衡。
材料和工藝的選擇決定了葉片最終的實(shí)際厚度和成本。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在如何將設(shè)計(jì)
原則和制造工藝相結(jié)合的工作中扮演著重要角色，設(shè)計(jì)人員必須找出在保證性能與降低
成本之間的最優(yōu)方案。
葉片受力分析
葉片上承受的推力驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shè)計(jì)的原因在前文已經(jīng)提到過。
外部的推力除了驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)使其產(chǎn)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(diǎn)最遠(yuǎn)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(guān)系圖
因此在葉片設(shè)計(jì)中，葉根部具有最大的厚度和最高的強(qiáng)度，向葉尖部過渡的過程中厚度
逐漸減小。這也符合空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)條件下葉片需要停轉(zhuǎn)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，葉尖部較薄的結(jié)構(gòu)更容易
停下。葉根部的弦長最大，產(chǎn)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(dá)到需要的強(qiáng)度和模量而設(shè)計(jì)的鋪層厚度已經(jīng)超過了氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需要的最佳厚
度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考量。
WE Handbook- 3- Structural Design
內(nèi)部梁結(jié)構(gòu)
如果葉片內(nèi)部采取實(shí)心結(jié)構(gòu)則厚度的設(shè)計(jì)就變得非常簡單，只需要依據(jù)彎曲力矩進(jìn)行設(shè)
計(jì)即可。但實(shí)心結(jié)構(gòu)受力時(shí)，葉片向下彎曲時(shí)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(fā)揮出最大的作用。因此為了降低生產(chǎn)成本，
設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。
還有一種極端的設(shè)計(jì)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(shí)
際應(yīng)用中無論從剪切強(qiáng)度和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上考量這種設(shè)計(jì)都是不可行的。首先從空氣
動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)整個(gè)葉殼必須是連續(xù)的整體。此外從剪切強(qiáng)度出發(fā)如果沒有任何連接，
兩部分沒有形成一體，使用中會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，也不能承擔(dān)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)原理上與工字梁相同，區(qū)別只是在于為了形成空氣動(dòng)力學(xué)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(dān)，葉殼只承擔(dān)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(jié)構(gòu)膠與葉殼粘接。
鋪層取向
現(xiàn)代的風(fēng)機(jī)葉片主要采用玻璃鋼材料生產(chǎn)，玻璃鋼與木材和金屬相比具有更高的比強(qiáng)
度，尤其適用于制造像風(fēng)機(jī)葉片之類的大尺寸薄層構(gòu)件。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片中主要載荷集中
在一個(gè)方向，便于纖維布的鋪設(shè)。例如梁帽中所有纖維都沿著葉片長度方向排列，因?yàn)?/p>
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(yīng)為對(duì)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(jié)構(gòu)。在對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)施加載荷時(shí)，框
架會(huì)由長方形變成菱形，棒材尺寸沒有發(fā)生變化，而對(duì)角線尺寸則發(fā)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(gè)對(duì)角方向的固定棒材。
通過增加更多的對(duì)角棒材可以延長框架的長度直至形成一個(gè)長梁結(jié)構(gòu)，每一部分都需要
有對(duì)角棒材保證剪切剛性。兩個(gè)棒材缺一不可，一個(gè)承擔(dān)拉伸載荷，另一個(gè)承擔(dān)壓縮載
荷。整體載荷達(dá)到平衡，橫向保證上下梁帽均勻分開，縱向保證梁帽不發(fā)生剪切滑動(dòng)。
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(huì)用到一
些雙向織物，目的是為了在單向織物間傳遞載荷。對(duì)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(duì)于使用抗剪腹板的葉片，采用附加雙向織物增強(qiáng)的方
式。對(duì)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(duì)較弱的結(jié)構(gòu)膠粘合面順利傳遞。
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