第２７卷第６期 ２０１４年１１月 机电产品开崖与钏新 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２７．Ｎ０．６ ＮＯＶ．，２０１４ 文章编号：１００２—６６７３（２０１４）０６—０９６—０３ 钝尾缘叶片三维建模方法的研究 张富海，李成良，陈淳，乔玉军，梁湿 （中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０００８５） 摘 要：钝尾缘风力机翼型目前被多数用于大型风力机叶片叶根与最大弦长处，这是因为气动上，钝尾 缘翼型能够提高升力系数斜率、降低翼型不敏感性；而结构上，钝尾缘翼型与相同厚度翼型相 比增加了截面面积和转动惯量ｎＪ，论文依据钝尾缘特点，提出设计钝尾缘翼型方案，并以５８米 长度叶片为例．设计钝尾缘翼型形状，以及此区域主模型的分模方式，完成三维模型建立，为 后续有限元建模及模具加工制造提供基础。 关键词：钝尾缘；翼型；３Ｄ建模；叶片；模具 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１４．０６．０３７ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｉｌ Ｂｌｕｎｔ Ｔｒａｉｌｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｍｏｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅ ＺＨＡＮＧ Ｆｕ－Ｈａｉ，ＬＩ Ｃｈｅｎｇ－Ｌｉａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｃｈｕｎ，ＱＩＡ０ Ｙｕ—Ｊｕｎ，ＬＩＡＮＧ Ｓｈｉ （Ｓｉｎｏｍａｔｅｃｈ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｂｌａｄｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｂｏａｒｄ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ，ｕｓｅｄ ｆｏｒｍ ｂｌａｄｅ ｒｏｏｔ ｔｏ ｍａｘｉｍｕｍ ｃｈｏｒｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｆｔ ｔｏｅ伍ｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｌｉｔ ｃｕｒｖｅ ｓｆｌｏｐｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｃｈｅ ｗｅｌｌ—ｄｏｃｕｍｅｎｔｅｄ ｓｅｎｓｉｉｖｉｔｔｙ ｉｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ．Ｓｒｕｃｔｕｒａｌｌｙ，ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｉｌｎｇ ｅａｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ａｅｒａ ａｎｄ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａ ｏｒｆ ａ ｇｉｖｅｎ ｓｉｒｆｏｉｌ １Ｔｌａｘｉｍｕｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｈｏｗｓ ａ ５８ｍ ｂｌａｄｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ａｎｄ ３Ｄ ｍｏｌｄ ｕｓｅｄ ＣＡＴＩＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｌｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ；ａｉｒｆｏｉｌ；３Ｄ ｍｏｌｄ；ｂｌａｄｅ；ｍｏｌｄ ０引言 随着风力机叶片大型化趋势的发展，叶片气动、结 构设计难度越来越大，国外设计的大型叶片（超过５Ｏ米 长度），钝尾缘形式被广泛应用，而国内自主设计钝尾缘 叶片的产品并不多，国内文献研究钝尾缘叶片气动性能 表明，钝尾缘翼型提高更大升阻比，其升力系数、阻力 １钝尾缘翼型设计 常见的钝尾缘改型有几种方式网：①改变中弧线两侧 厚度分布的比例。目前钝尾缘改型增加后缘厚度可以是 对称分布中弧线两侧，也可是不对称的分布，不对称分 布后缘厚度可以增加至压力面、吸力面或两者各占一定 比例，其中不对称分布会影响翼型本身最大弯度；②改 变厚度分布曲线。后缘厚度增加，从光顺的起点到尾部断 面存在很多的光顺方式．不同的光顺方式会对改型后翼 型有不同影响，但是影响都很小，这些几何形状的差别 系数均增加，而结构特点是增加截面面积和转动惯量， 缺点是噪声增大。 本文依据钝尾缘特点，考虑翼型几何相容性，结合 生产制造等问题设计几何参数，设计一款５８米叶片， 结果表明叶片曲面质量符合要求。 都淹没在湍流边界之内；③刚性旋转上下弧线，改型简化 为旋转上下两条弧线并且进行前缘修正．改型后翼型的 气动性能与对称加厚的方法相近．但是很难进一步降低 修稿日期：２０１４—０９—２５ 项目来源：国家８６３计划课题（２００９ＡＡ０３４５ｏ３）；北京市科技计划 翼型敏感性。 需注意以上三种方式不会改变最大厚度所在弦长位 置。由于叶片结构设计中梁帽位置定位参考翼型最大厚 课题（Ｄ１ １ １ １００００１９１ １００２） 作者简介：张富海（１９８２一），男，内蒙古人，硕士研究生，气动 度位置，一般在３３％左右，但是叶根圆柱段为５０％，所 以最大弦长与叶根之间的钝尾缘翼型最大厚度位置应该 工程师。主要研究方向：风力机叶片空气动力学。 ・制造业信息化・ 在３３％～５０％之间。 ｌ 大程度提高截面刚度和稳定性。 （２）后缘厚度：后缘厚度设计要满足如下规则：钝尾 型弦长５０％～１００％位置处，设置步长，切割翼型， 得到 ｌ缘后缘厚度与吸力面为一体；后缘厚度值光顺；后缘厚 不同的相对厚度、后缘厚度和最大厚度所在位置， 如图 ：度与吸力面、本文的钝尾缘设计方法是根据ＤＵ系列翼型。 在翼 ｌ 压力面相连区域需做倒角。 １所示。 ｌ５ 撇 ８—５ 一一 图１ ＤＵ４０翼型不同位置切割 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ ＤＵ４０ ａｉｒｆｏｉｌ 图中：ｘ一翼型横坐标；ｙ一翼型纵坐标；Ｃ一弦长。 得到数据如表１所示。 表１改型ＤＵ４０后翼型参数表 Ｔａｂ．１ Ｍｏｄｉｆｙ ＤＵ４０ ａｉｒｆｏｉ ｌｓｏｍｅ ｄａｔａ ｌ０ｏ＊ｘ／ｃ 后缘厚度 １’Ｅ 后缘厚度，弦长 ＴＥ，ｃ％ 相对厚度 ％ 最大厚度 位置％ ６０ ５５．Ｏ ９１．７％ ６６．７％ ５５．５％ ６１ ５４＿２ ８８．８％ ６５．６％ ５４．６％ ６２ ５３．４ ８６．１％ ６４．５％ ５３．７％ ６３ ５２．５ ８３．３％ ６３．５％ ５２．９％ ４６ ５１．６ ８０．６％ ６２．５％ ５２．Ｏ％ ６５ ５０．７ ７８．Ｏ％ ６１．５％ ５１．２％ ８ｌ ３２．１ ３９．６％ ４９．４％ ４１．１％ ８２ ３０．７ ３７．４％ ４８．８％ ４０．６％ ８３ ２９．２ ３５．２％ ４８．２％ ０４．１％ ８４ ２７．８ ３３．１％ ４７．６％ ３９．６％ ８５ ２６．３ ３１．Ｏ％ ４７．１％ ３９．２％ ９４ １２－３ ｌ３．１％ ４２．６％ ３５．４％ ９５ ｌＯ．６ ｌ１．２％ ４２．１％ ３５．１％ ９６ ９．０ ９．４％ ４１．７％ ３４．７％ 所有ＤＵ翼型数据处理之后，得到不同相对厚度、 不同最大厚度位置、不同后缘厚度，弦长数据库，为后 续叶片设计提供理论基础。 ２钝尾缘区域的叶片气动设计 钝尾缘区域的叶片气动设计不仅仅包含弦长、扭 角、相对厚度、预弯、桨距轴位置等基本要素，还包括 最大厚度位置、后缘厚度、以及考虑叶片模具扭转角等 综合因素设计气动外形。 （１）截面最大厚度位置：优化目标是最大厚度位置与 梁帽中心线相近，大多数梁帽中心线是一条直线的投影 迎风面与背风面，而最大厚度位置附近放置主梁，可最 图２为５８米长度叶 ４２０Ｏ％ 片后缘厚度／弦长（ＴＥ／ｃ）， ２２．００％ 表２为５８米长度叶片后 ２００％ 缘厚度值。 （３）考虑叶片模具扭 叶片长度／ｍ 转角。由于模具制造为 图２ ５８米叶片后缘厚度，弦长 了便于脱模以及叶片制 Ｆｉｇ．２ Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ／ｃｈｏｒｄ ｏｆ 造人工铺布便捷．所以 ５８ｍ ｂｌａｄｅ 最大弦长位置在做模具 表２ ５８米叶片后缘厚度 时候扭角都很小．而叶 Ｔａｂ．２ Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ ｏｆ ５８ｍ 片姿态下此处扭角一般 ｂｌａｄｅ 比较大．如图２所示５８ 叶片长度／ｍ 后缘厚度ＴＥ／ｍｍ ０ ８８４ 米叶片姿态与模具姿态 １ ８８４ 在１０ｍ处截面。 ２ ８６３ 钝尾缘叶片分模方 ３ ８３ｌ 式以下两种较为普遍， ４ ７７４ 如图４所示：图４（ａ）为 ５ ６７８ 中间分模形式；图４（ｂ） ６ ５５２ 为后缘厚度与压力面为 ７ ４１Ｏ 一体。两者在气动和结 ８ ２７２ 构的优势基本一致．但 ９ １５７ 是工艺上，方案２更加 １０ ８９ 合理，钝尾缘区域的手 工铺布更加便捷。 本文以方案２为例．优化 设计扭角，叶根扭角结果如表 ３所示。 表３ ５８米叶片扭角分布 图３叶片姿态与模具姿态对比 Ｔａｂ．３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｏｆ ５８ｍ Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐｒａｒｅ ｏｆ ｂｌａｄｅ ａｎｄ ｍｏｌｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂｌａｄｅ ｔｗｉｓｔ 叶片长度／ｍ 扭角／。 ０ ２８．０ １ ２８．０ ２ ２７．４ ３ ２６．４ ４ ２５．Ｏ ５ ２３．４ ６ ２１．５ ７ １９．７ （ｂ） ８ １７．８ 图４钝尾缘叶片分模截面图 ９ １６．０ Ｆｉｇ．４ Ｓｐｌｉｔ ｂｌｕｎｔ ｔｒａｉｌｉｎｇ １０ １４．４ ｅｄｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ （下转第７５页） ９７ ・产品与市场・ 现有锥篮式离心过滤机存在的实际问题提出如下改造方案。 ２。１空气源反向清洗喷嘴的改造 原锥篮式离心过滤机在过滤物料时。液体在离心力 作用下经过滤网被甩出，而物料被全部挡在过滤网内， 最终形成滤饼。因此，常常需要对过滤网进行冲洗，浪 费时间，且降低过滤网的使用寿命。 改造后的锥篮式离心过滤机中设有空气源反向清洗 图３传动系统原理框图 Ｆｉｇ．３ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ 喷嘴，如图２所示。空气源反向清洗喷嘴以螺纹形式连 接矩形喷出口，可将高压空气源广泛地喷在过滤网上。 采用变频调速技术，控制主轴转速，其传动系统原理如 图３所示。 随着主轴带动过滤筒进行旋转，过滤网中的物料被喷 出，避免堵塞现象。 ３结束语 基于锥篮式离心过滤机的工作原理，本文对现有过 ２＿２主轴传动系统的改造 原主轴装置不能调速， 滤机进行了有效的改造，增加了空气源反向清洗喷嘴。 将主轴改造成可由变频器调节转速。本次设备的成功改 为适应不同的工作情况， 主轴的转速设计成可由变 频器调节嘲。分离因数Ｆ 和 转速ｎ由下式确定『３】： １．主轴２．过滤筒３．过滤网４．内 ＝造，既可改善滤饼的形成，延长过滤网使用寿命，又提 高了锥篮式离心过滤机对物料浓度变化敏感度和过滤效 果，适应性强，为其他类型的过滤机的改造提供了一种 较为实用的方法和参考。 参考文献： 『ｌ１Ｉ张仲欣，谢秀英，杨玉兰．自卸料式离心过滤机的设计［Ｊ］．洛阳工学 院学报，１９９５．４． 筒５．外筒６．顶盖７．挡板８．空气 源反向清洗喷嘴９．底座 詈（署）’Ｉ Ｊ 图２改造后的锥篮式离心过 式中：Ｒ＿内筒大端半径 （ｍ）；ｎ一主轴转速（ｒ／ｉｎｉｎ）； 重力加速度（ｍ／ｓ ）。 滤机结构示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｅ ｂａｓｋｅｔ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｆｉｌｔｅｒ 分离因数Ｆ 是一个重 要的性能参数，反映离心 ［２］钱均新，许锋，周志平．圆盘真空过滤机的改进与应用【Ｊ】．金属材料 与冶金工程，２０１０，６． ［３］孙启才，等．离心机原理结构与设计计算［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．１９８７． ａｆｔｅｒ ｒｅｃ０ｎｓｔｌ１ｌｃｔｉｏｎ 机的分离能力。分离因数Ｆｒ值越大，表明分离效果越 好，当物料浓度不同时，所需要的最佳转速不同 。 改造后在原电机上加装变频器，锥篮式离心过滤机 （上接第９７页） ［４］周作坤，等．锥篮式离心机分离效率的研究叨．农业机械学报，１９９０，４． ３钝尾缘叶片３Ｄ模型建立 查找满足设计要求的翼型以及弦长、扭角、相对厚 度、预弯、桨距轴位置等参数，计算３Ｄ模型点云，并 在ＣＡＴＩＡ软件生成面单元。 做模具模型的的分模与倒角处理。叶根到最大弦长 的倒角从８０ｒａｍ～０线性过 渡。结果如图５所示。 此种方法形成的钝尾缘 叶片优点是．叶根到最大弦 得到不同相对厚度、不同最大厚度位置、不同后缘厚 度／弦长数据，为后续叶片设计提供理论基础。 （２）研究钝尾缘翼型的叶片设计，以５８米叶片为例， 设计一款叶片几何参数。 （３）此方法用ＣＡＴＩＡ二次开发软件生成３Ｄ模型．根 据工程经验并对分模，倒角等处理．起设计结果可检查 曲面曲率变化形式，ｌ０ 次方级别满足曲面要求。 参考文献： ［１］Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｐ．Ｂａｋｅｒ，ｅｔ ａｌ；“Ｆｌａｔｂａｃｋ Ａｉｒｆｏｉｌ Ｗｉｎｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｒｉｔ”，长处过渡的非常缓慢，可知 最大曲率为１．２８ｘ１０ 。所以 变化非常缓慢。 Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ Ｒｅｌｅａｓｅ，ｐｒｉｎｔｅｄ Ａｐｒ，２００８． ［２］张磊．不同尾缘改型方式对风力机钝尾缘翼型气动性能影响『Ｊ］．工 程热物理学报，２００９． ［３］杨瑞．钝尾缘风力机翼型气动性能计算分析网．机械工程学报，２０１０． ］Ｖａｎ Ｄａｍ，Ｃ．Ｐ．，ａｎｄ Ｋａｈｎ，Ｄ．Ｌ．，Ｔｒａｉｌｉｎｎｇ Ｅｄｇｅ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＦｌａｔｂａｃｋＡｉｒｆｏｉｌ，ＳａｓｎｄｉａＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｍａｒｃｈ．２００＆ ４总结 （１）研究了钝尾缘翼型的 设计方法，生成翼型数据库， ５８ｍ ｂｌａｄｅ 鬈 【５］张旭．非对称钝尾缘厚度对风力机翼型气动性能的影响ｆＪ］．中国电 机工程学报．２０１３． ７５