风能储量巨大,风能作为一种清洁能源,在全球越来越重视生态保护的大背景下,风力发电技术受到各国青睐。风力机设计是风能利用的重要一环,其中叶片性能的优劣更是直接影响了风力机的发电效率。随着风力机叶片尺寸的大型化,叶片外形设计和结构更加复杂,叶片设计与性能分析显得尤为必要。目前水平轴风力机发电是风力发电的主要形式,因此本课题对兆瓦级水平轴风力机叶片进行设计,不仅具有理论意义也有应用价值。本课题主要进行了以下工作:（1）叶片设计。首先在学习了风力叶片设计相关理论和流场数值模拟理论的基础之上,推导了Wilson设计模型。根据风力机设计功率确定风机叶片的相关尺寸参数,包括叶片直径计算、叶片数和尖速比的选取。在Profili软件中对NACA24XX系列翼型进行气动分析,根据翼型的升阻特性选取叶片最佳设计攻角。采用考虑了叶尖损失的Wilison设计模型进行参数寻优设计,以风能利用率为优化目标,利用MATLAB软件编制计算程序,迭代计算出多个叶片截面参数弦长C和扭角β,再结合优化理论对截面参数进行优化。根据已完成的外形设计参数在Solidworks软件中建立叶片和风轮三维模型。（2）流场数值模拟。使用ICEM对叶片和流场划分网格,在CFX中基于有限体积法和SIMPLE算法,应用SST K-ω湍流模型,对控制方程进行求解。对额定工况下运行的风轮流场进行数值模拟,得到风轮径向多个截面的流场速度分布云图、压力分布云图,以及风轮轴向速度云图和流场流线图。分析流场分布特点,下表面空气流速小于上表面流速,且由于旋转的叶片间存在相互干扰,使得风力机的输出功率减小,为叶片进一步改进设计提供了数据依据;在远离风力机约200米处风轮旋转效应影响范围达到最大,为优化多机组风力机排列提供参考;由流场计算出的风轮转矩,可以计算出风轮功率,与设计功率进行比较,偏差较小,证明设计方法的可行性。（3）叶片强度与模态分析。在ANSYS软件中进行强度校核,考虑叶片自身重力,离心力和风压力,选择受力最大的工况进行强度校核,即叶片与地面平行,处于全悬臂梁状态,得出叶片在额定工况下受到最大应力远远小于材料的许用应力。根据叶尖最大位移形变,可以确定叶尖与塔架的安全距离;对叶片进行模态分析,得到叶片前六阶固有频率并分析振动形式,计算工况下的激振频率,进行对比分析避免共振对叶片造成破坏。