【摘 要】 本篇論文針對(duì)的機(jī)型是1.0MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及振動(dòng)特性分析，以氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論作為基礎(chǔ)，從風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)、葉尖速比、風(fēng)輪直徑以及翼型插值等方面確定葉片的基本參數(shù)。本文根據(jù)葉素動(dòng)量理論的相關(guān)知識(shí)，根據(jù)Wilson葉片設(shè)計(jì)方法確定風(fēng)機(jī)葉片的幾何外形，以MATLAB軟件為計(jì)算工具，采用迭代算法計(jì)算葉片外形的各種參數(shù)，并修處理弦長(zhǎng)、扭角等，得到優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)對(duì)NACA4412翼型單元坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和成比例放大轉(zhuǎn)換，獲得具有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的風(fēng)力機(jī)葉片的外形數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 風(fēng)力機(jī)葉片 振動(dòng)特性 葉素-動(dòng)量理論 迭代算法 有限元分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.010

風(fēng)能是氣流變動(dòng)而生成的動(dòng)能，沒(méi)有任何污染的可再生能源。根據(jù)多年記錄，在小于0.25s的時(shí)間里，風(fēng)速一定能夠27m/s然變到37m/s。陣風(fēng)為風(fēng)力機(jī)創(chuàng)造了改變的氣動(dòng)原因。風(fēng)力不僅強(qiáng)弱改變，風(fēng)電輪軸可對(duì)風(fēng)有調(diào)向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致陀螺力矩，它應(yīng)用在葉片上是一種改變的慣性載荷。還有，相對(duì)大型風(fēng)力機(jī)，葉片本身的重量也是無(wú)法忽略的負(fù)載，這個(gè)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片也是說(shuō)變化就變化的。在相互方方面面條件的共同影響，風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行的進(jìn)程中，可能會(huì)表現(xiàn)出顫振，致使葉片損壞。對(duì)風(fēng)輪葉片通過(guò)有限元考慮，分析工程機(jī)械的固有頻率和振型，進(jìn)一步預(yù)算和理解其在外載荷情況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，是非常必要的[1，2]。

5 總結(jié)

本文在變換了翼型截面空間坐標(biāo)的同時(shí)，繪制了葉片各個(gè)截面的空間曲線。利用相關(guān)軟件對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了三維實(shí)體建模，通過(guò)模態(tài)分析，得到了葉片在零轉(zhuǎn)速下的前十階固有頻率及振型。根據(jù)得到的振型，可以清楚的看出優(yōu)化后葉片具有更強(qiáng)的抗扭振能力。通過(guò)模態(tài)分析可知，風(fēng)力機(jī)葉片的主要振動(dòng)型式為揮舞和擺振，第七階揮舞加上扭振，直至第十階振型，才能凸顯出扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)NACA4412翼型單元坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和成比例放大轉(zhuǎn)換，獲得具有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的風(fēng)力機(jī)葉片的外形數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 祝振敏.兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)分析及保護(hù)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

[2] 張禮達(dá)，陳榮盛，張彥南等.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片振動(dòng)特性分析[J].電力科學(xué)與工程，2009， 25 （11）：24-27.

[3] 姚興佳，劉穎明，劉光德，邢作霞，鮑潔秋.大型風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)分析和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）627-632.

[4] Kendall David Arhur.Hinged Blade Model Dynamics for a Horizontal Axis Wind Turbine[D].Doctoral Thesis.University of Massachusetts Amherst，2003.

[5] Erich hau.wind turbine[M].Springer Berlin Heidelberg，2006.

[6] 王萌.風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)及氣動(dòng)特性分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2013.

[7] 陳燕.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)特性分析[D].湖南，湖南大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程，2013.

[8] El-Chazly N.M..Static and dynamic analysis of wind turbine blades using the finite element method，Renewable Energy，1993，3（6-7）：705-724.

[9] 張宇.大型風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2013.

[10] 吳英.TAC84振動(dòng)測(cè)試儀幾個(gè)主要振動(dòng)特征參數(shù)的設(shè)置[J].風(fēng)力發(fā)電.2002（1）.

[11] Cheng-Huatong.Composite Wind Turbine Blades.The Doctor degree of Philosophy in Stanford University.

[12] Ryu J.Kim Sang Sup，Kim Sung Soo.Ageneral approach to stress stiffening effects on flexible multibody dynamic system[J].Mech StructMach，1994，22（2）：157-180.

[13] Wallrapp O.Linearized flexible multibody dynamic including geometric stiffening effects[J]. Mech Struct Mach，1991，19（3）：385-409.

項(xiàng)目：遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2014521），沈陽(yáng)工程學(xué)院教育教學(xué)研究項(xiàng)目（Y201415）

作者簡(jiǎn)介

劉姝，女，遼寧凌源，講師，博士，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究。