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        小型風(fēng)力機葉片的流場仿真和應(yīng)變實驗研究

        2013-10-22 02:43:56張錦光胡業(yè)發(fā)
        關(guān)鍵詞:葉尖風(fēng)力機光柵

        侯 西,張錦光,胡業(yè)發(fā)

        (武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        風(fēng)能作為清潔的可再生能源,其開發(fā)潛力已被世界各國所認可。葉片是風(fēng)力機組捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件,在實際運行環(huán)境中承受離心力、流體動力振動、溫差(熱應(yīng)力)、介質(zhì)等的綜合作用[1-2],裂紋在惡劣的環(huán)境下頻繁地產(chǎn)生,對風(fēng)力機組安全運行構(gòu)成很大威脅,也給企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟損失。因此,對風(fēng)力機葉片應(yīng)變進行實時監(jiān)測是完全必要的。

        作為新型的傳感器,光纖光柵結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,精度高,可以組成傳感網(wǎng)絡(luò)進行分布式測量,且具有靈敏度高、絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕和耐高溫等優(yōu)點,滿足葉片運行時復(fù)雜環(huán)境下的傳感應(yīng)用要求[3-4]。由于光纖光柵直接測量的物理量是溫度和應(yīng)變,因此筆者分析了空氣載荷下葉片的應(yīng)變分布,將有限元計算和光纖光柵實驗測量的應(yīng)變值進行了對比。

        1 葉片CFD流場仿真分析

        1.1 葉片的幾何建模

        利用三坐標(biāo)測量儀對葉片進行掃描,然后導(dǎo)入3D繪圖軟件Pro/E進行建模,完成的模型如圖1所示[5]。將葉片以風(fēng)輪軸為中心陣列,設(shè)置數(shù)量為3個,角度為120°,便完成了3個葉片實體的建模。

        圖1 Pro/E中葉片的模型

        1.2 葉片網(wǎng)格劃分和邊界條件

        將葉片模型在Pro/E環(huán)境中保存為.step格式的文件,導(dǎo)入到GAMBIT前處理器中,再進行網(wǎng)格劃分。葉片的直徑d=1.2 m,設(shè)置流體的圓柱體計算區(qū)域直徑為2 m,長度為12 m,左邊為速度入口,到風(fēng)輪圓盤的距離為4 m,右邊為壓力出口,到風(fēng)輪圓盤的距離為8 m。葉片的網(wǎng)格劃分為四面體,流場的網(wǎng)格劃分為六面體,如圖2所示。

        圖2 風(fēng)力機計算域網(wǎng)格圖

        1.3 仿真結(jié)果分析

        圖3 葉片迎風(fēng)面靜壓分布云圖

        圖4 葉片背風(fēng)面靜壓分布云圖

        圖3和圖4分別為葉片迎風(fēng)面和背風(fēng)面的靜壓分布云圖,當(dāng)葉片在12 m/s風(fēng)速的風(fēng)場環(huán)境中以額定轉(zhuǎn)速400 r/min旋轉(zhuǎn)時,葉片迎風(fēng)面的壓強為正,背風(fēng)面壓強為負,氣流壓強不平均地分布在表面。在葉片的迎風(fēng)面,葉尖靠近前緣的區(qū)域壓強值最高,變化范圍為288~334 Pa,葉片中間和根部壓強較低,變化范圍為100~241 Pa;在葉片的背風(fēng)面,葉尖靠近前緣的區(qū)域壓強值最低,變化范圍為-602~-228 Pa,葉片中間和根部壓強較高,變化范圍為-181~-31.4 Pa。旋轉(zhuǎn)時葉片上下表面的最大壓力差為936 Pa,位于葉尖。當(dāng)半徑減小時,葉片的線速度減小,與氣流的相對速度減小,壓力差也隨之減小。當(dāng)葉片在額定工況下運行時,葉片表面的靜壓主要分布在0.2倍半徑到葉片尖端,此段區(qū)域的葉片吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能。

        2 葉片空氣載荷計算

        作用在風(fēng)輪上的風(fēng)力是風(fēng)力機的主要動力源,也是葉片所承受載荷的主要來源,根據(jù)流體仿真的結(jié)果可知,葉片表面的靜壓主要分布在0.2倍半徑到葉尖,即葉片的氣動載荷主要分布在該區(qū)域。

        [6],根據(jù)葛勞渥旋渦理論和葉素動量定理,葉片長度方向上的升力元和阻力元為:

        升力和阻力可分解為作用在葉片上沿風(fēng)向的推力和沿葉片旋轉(zhuǎn)方向的周力,分別為:

        其中:W為葉片線速度與來流風(fēng)的相對合速度;N為葉片數(shù);r為葉尖半徑;c為弦長;φ為葉片相對合速度與旋轉(zhuǎn)面之間的夾角;CL為翼型的升力系數(shù);CD為翼型的阻力系數(shù),可由翼型的氣動力特性曲線查出。

        選取葉片的葉尖速比λ=6,參考式(1)~式(4),計算葉片不同半徑位置處(0.3r、0.5r、0.7r、0.9r)的推力和周力,各段葉素長度為0.2r,折算成加載在葉尖的等效推力和周力如表1所示。隨著風(fēng)速的增大,葉片的推力和周力近似線性增大。由于推力是葉片產(chǎn)生應(yīng)變的主要載荷形式,因此選取推力為葉片的載荷加載在葉尖[7-8]。

        表1 不同風(fēng)速下加載在葉尖的等效推力和周力

        3 葉片應(yīng)變實驗方案

        采用分布式測量的方法,在葉片上表面的左側(cè)邊緣、中間、右側(cè)邊緣的表面分別粘貼3根光纖,每根光纖上串接有5個不同中心反射波長的光柵,中心反射波長分別為1290 nm、1293 nm、1303 nm、1305 nm、1308 nm,每個光柵間隔 0.2倍葉片半徑的距離,葉片以懸臂梁的形式,葉根固定,葉尖加載等效推力[9],靜載荷光纖光柵應(yīng)變實驗簡圖如圖5所示。

        圖5 靜載荷光纖光柵應(yīng)變實驗簡圖

        4 ANSYS計算與實驗數(shù)據(jù)對比分析

        將葉片的模型導(dǎo)入ANSYS軟件,選擇solid45單元進行應(yīng)變分析,圖6為葉尖加載推力為31.6 N時葉片表面應(yīng)變分布云圖,并將有限元計算與實驗測量數(shù)據(jù)進行對比。

        4.1 31.6 N推力下葉片表面各點的應(yīng)變分布

        圖6 葉片表面應(yīng)變分布云圖

        表2和表3分別為葉尖推力為31.6 N時葉片左側(cè)、右側(cè)各點實驗測量和有限元計算的應(yīng)變值。對比可知,在葉片0.6倍半徑處的應(yīng)變值最大,葉尖和葉根的應(yīng)變值最小,這是由于小型風(fēng)力機葉片根部(0.2倍半徑處)的弦長最長,剛度最大,載荷施加在葉尖時,沿葉片翼展方向剛度較小的中間段部位最容易彎曲變形[10]。

        表2 葉片左側(cè)點應(yīng)變值

        表3 葉片右側(cè)點應(yīng)變值

        比較實驗測量和有限元計算的應(yīng)變值,在應(yīng)變最大的葉片0.6倍半徑處,左側(cè)的誤差為-2.1%,右側(cè)的誤差為3.3%,實驗測量和理論計算基本吻合。在葉片的最大應(yīng)變部位,實驗測量值和有限元計算值的誤差較小,在應(yīng)變較小的部位,由于實驗測量和理論計算的誤差,導(dǎo)致偏差較大[11],但是,兩者的結(jié)果趨勢一致,如圖 7和圖8所示。

        圖7 葉片左側(cè)點應(yīng)變值

        圖8 葉片右側(cè)點應(yīng)變值

        4.2 不同推力下葉片最大應(yīng)變的變化趨勢

        表4和表5為不同推力載荷下(風(fēng)速為7~12 m/s)葉片0.6倍半徑處兩側(cè)各點的實驗測量和有限元計算的應(yīng)變值,其對應(yīng)的曲線如圖9和圖10所示。對比可知,隨著載荷的增加,葉片的應(yīng)變值近似線性增加,實驗測量和有限元計算的誤差也逐漸減小。

        表4 不同推力下葉片0.6倍半徑處左側(cè)點的應(yīng)變值

        表5 不同推力下葉片0.6倍半徑處右側(cè)點的應(yīng)變值

        圖9 不同推力下葉片0.6倍半徑處左側(cè)點的應(yīng)變值

        5 結(jié)論

        從實驗和理論計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

        圖10 不同推力下葉片0.6倍半徑處右側(cè)點的應(yīng)變值

        (1)葉片0.6倍半徑處應(yīng)變最大;由于葉根的剛度最大,葉根附近的應(yīng)變較??;葉尖處的應(yīng)變最小。

        (2)隨著載荷近似線性地增加,葉片的最大應(yīng)變值也近似線性地增加。

        (3)在葉片的最大應(yīng)變區(qū),光纖光柵實驗測量和有限元理論計算結(jié)果基本吻合。

        參考文獻:

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