姜　艷，王　瑋，霍尹才，孫曉明，韓　梅

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

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基于箱型梁骨架式風(fēng)力機(jī)葉片性能研究

姜艷1，王瑋2,*，霍尹才1，孫曉明1，韓梅1

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

摘要：葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，風(fēng)力機(jī)葉片所使用的材料將直接影響風(fēng)力機(jī)的性能。在探索新型碳纖維復(fù)合材料葉片的基礎(chǔ)上，通過(guò)箱型梁骨架式葉片有限元分析，研究復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片在載荷作用下的變形及其力學(xué)特性，進(jìn)而揭示碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度對(duì)變形和力學(xué)特性的影響規(guī)律，以期為新材料在風(fēng)力機(jī)葉片上的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，對(duì)于提升我國(guó)自主設(shè)計(jì)和制造長(zhǎng)壽命大型風(fēng)力機(jī)葉片的能力具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；碳纖維復(fù)合材料；性能；有限元分析

0引言

風(fēng)能是可再生能源中最具活力的一種，己成為發(fā)展最快的能源[1]，受到世界各國(guó)的關(guān)注[2]。因此對(duì)高性能風(fēng)力機(jī)及其部件的研發(fā)十分迫切[3]。然而就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，葉片是其重要組成部件，風(fēng)力機(jī)葉片所使用的材料將直接影響風(fēng)力機(jī)的性能，且風(fēng)力機(jī)葉片性能的好壞將會(huì)直接影響到整個(gè)風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性[4]。風(fēng)力機(jī)葉片受力比較復(fù)雜，再加上外形比較細(xì)長(zhǎng)，屬于容易發(fā)生形變的柔性彈性體[5]。因此，研究葉片其性能和壽命在極端外界環(huán)境下的變化也逐漸成為研發(fā)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外所采用的風(fēng)力機(jī)的葉片為玻纖增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂、玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂[6-10]，但由于受極端溫度的影響，致使葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反復(fù)變形，從而影響風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)性能，并且隨著風(fēng)力機(jī)組的大型化量產(chǎn)，這種形式的葉片將無(wú)法滿足要求，必須開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的材料，具備輕質(zhì)、高強(qiáng)以及剛性好等性能。為此，本文在探索新型碳纖維復(fù)合材料葉片的基礎(chǔ)上，通過(guò)箱型梁骨架式葉片有限元分析，研究復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片在載荷作用的變形及其力學(xué)特性，進(jìn)而揭示碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度對(duì)變形和力學(xué)特性的影響規(guī)律，以期為新材料在風(fēng)力機(jī)葉片上的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，對(duì)于提升我國(guó)自主設(shè)計(jì)和制造長(zhǎng)壽命大型風(fēng)力機(jī)葉片的能力具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程應(yīng)用意義。

黑龍江省風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將在“一帶一路”建設(shè)戰(zhàn)略的重要指引下，風(fēng)能行業(yè)走出國(guó)門(mén)將打開(kāi)一個(gè)全新的市場(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電作為成熟的代表性新能源產(chǎn)業(yè)，也將成為能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一大載體，故研究高寒地區(qū)氣候?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片性能的影響具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

1.1葉片有限元模型

風(fēng)力機(jī)葉片的幾何模型較為復(fù)雜。基于ANSYS Workbench中的DM建模模塊，本文采取使用自上而下的方式構(gòu)建葉片模型，首先建立葉片實(shí)體三維模型，在 DM 中建立葉片曲面參數(shù)模型，并將葉片建模前先將其分段，然后確定好截面數(shù)后建立每個(gè)截面上的關(guān)鍵點(diǎn)，再將相應(yīng)的點(diǎn)連接成線，最后將相應(yīng)的線連成面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)葉片的三維實(shí)體建模。

1.2箱型梁骨架式葉片有限元分析

箱型梁骨架式葉片由復(fù)合材料蒙皮、箱型梁、隔板、金屬軸、法蘭盤(pán)5部分組成(圖1)，對(duì)葉片各構(gòu)件沿展長(zhǎng)方向厚度進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計(jì)(表1)。此外，葉片分析時(shí)仍采用Solid187實(shí)體單元和Shell181殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分了89 419個(gè)節(jié)點(diǎn)和78 553個(gè)單元。

蒙皮角度/(°)09045-45-4545900①區(qū)700～1800mm層數(shù)厚度/mm4422111111112244②區(qū)1800～3800mm層數(shù)厚度/mm53.511111111111153.5③區(qū)3800～6000mm層數(shù)厚度/mm53.511111111111153.5

注：沿葉片展長(zhǎng)方向?yàn)?°,沿葉片環(huán)向?yàn)?0°。

(b) 隔板分區(qū)設(shè)計(jì)

(c)箱型梁分區(qū)設(shè)計(jì)

(d)金屬軸分區(qū)設(shè)計(jì)

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1蒙皮計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)蒙皮應(yīng)力云圖和坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系的分析可知(圖2和圖3)，葉片最大應(yīng)力為198.84 MPa，出現(xiàn)在距葉根6 000 mm的葉尖處，蒙皮應(yīng)力較大區(qū)集中在①區(qū)，不會(huì)發(fā)生葉片根部的斷裂問(wèn)題，使葉片與主體部分連接處具有很好的穩(wěn)定性能。

圖2　蒙皮應(yīng)力云圖Fig.2　Skin stress

圖3　蒙皮坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系Fig.3　The relation of position-stress of skin

2.2箱型梁計(jì)算結(jié)果

通過(guò)箱型梁上下翼緣及腹板應(yīng)力云圖和坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系的分析可知(圖4～圖7)：翼緣應(yīng)力最大值為258.4 MPa，出現(xiàn)在葉片第55 702個(gè)節(jié)點(diǎn)上，距葉根1 200 mm處，箱型梁翼緣應(yīng)力總體較大，說(shuō)明其承受了較大部分的彎矩作用。腹板最大應(yīng)力為147.3 MPa出現(xiàn)在葉片第2 342個(gè)節(jié)點(diǎn)上距葉根3 800 mm處，該處應(yīng)力較大，是因?yàn)榇颂幐拱搴穸劝l(fā)生了梯度性變化，且腹板受力較均勻。由整體看，腹板、翼緣兩者共同受力，協(xié)調(diào)變形。

圖4　箱梁翼緣應(yīng)力云圖 Fig.4　Flange stress

圖5　箱梁翼緣坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系 Fig.5　The relation of position-stress of flange

圖6　箱梁腹板應(yīng)力云圖 Fig.6　Web stress

圖7　箱梁腹板坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系Fig.7　The relation of position-stress of web

2.3隔板計(jì)算結(jié)果

借助于隔板應(yīng)力云圖和隔板坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系分析可知(圖8和圖9)：該處應(yīng)力最大值為378 MPa出現(xiàn)在葉片第82 449個(gè)節(jié)點(diǎn)處(隔板與軸接觸處)，其值小于材料設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)有效。

圖8　隔板應(yīng)力云圖 Fig.8　sect1ition stress

圖9　隔板坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系Fig.9　The relation of position-stress of sect1ition

2.4金屬軸計(jì)算結(jié)果

金屬軸應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10，通過(guò)分析可知，金屬軸最大應(yīng)力為345.54 MPa，出現(xiàn)在葉片第2 311個(gè)節(jié)點(diǎn)上，距葉根955 mm處。通過(guò)對(duì)坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系圖分析(圖11)，可見(jiàn)在每一區(qū)段厚度改變處，應(yīng)力都有相應(yīng)的突變?cè)龃螅试诜侄翁帒?yīng)做加強(qiáng)處理。

圖10　金屬軸應(yīng)力云圖 Fig.10　Metal shaft stress

圖11　金屬軸坐標(biāo)位置-應(yīng)力關(guān)系Fig.11　The relation of position-stress of metal shaft

相對(duì)于箱形梁骨架式風(fēng)力機(jī)葉片，全復(fù)合材料式葉片也進(jìn)行了分析，計(jì)算得到該方案下葉片結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力見(jiàn)圖12、圖13。由有限元分析結(jié)果可知葉片最大應(yīng)力為187.37 MPa，出現(xiàn)在葉片蒙皮葉根過(guò)渡段第20 676個(gè)節(jié)點(diǎn)處，距葉根為972.45 mm，與結(jié)構(gòu)鋼葉片相比最大應(yīng)力降低了46%，說(shuō)明全復(fù)合材料葉片能有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。從葉片整體應(yīng)力、應(yīng)變水平來(lái)看，應(yīng)力、應(yīng)變主要集中在葉根過(guò)渡和靠近葉根過(guò)渡區(qū)域，而葉尖區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變較小，同結(jié)構(gòu)鋼葉片受力相符，但全復(fù)合材料葉片整體受力比較均勻。對(duì)于葉片內(nèi)腹板，主要承受剪力作用，受力較為均勻，其最大應(yīng)力為40.51 MPa，出現(xiàn)在腹板第3 449個(gè)節(jié)點(diǎn)處，距葉根為1 213.8 mm，應(yīng)力、應(yīng)變水平相對(duì)較低。同時(shí)腹板內(nèi)側(cè)蒙皮受力較大，而腹板外側(cè)蒙皮受力較小。但是全復(fù)合材料葉片直接制作成本在2 969左右，其制作周期約為213.5 h。而箱型梁骨架式直接制作成本在1 884左右，其制作周期約為111.9 h。

圖12　復(fù)合材料葉片應(yīng)力云圖 Fig. 12　Composite blade stress

圖13　蒙皮應(yīng)力云圖Fig.13　Skin stress

在綜合考慮葉片受力性能、材料利用率、葉片結(jié)構(gòu)自重、造價(jià)等多種因素的基礎(chǔ)上，采用選取玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(箱型梁骨架式)葉片在滿足強(qiáng)度、剛度、制作工藝等條件下，材料利用率較高，自重、成本相對(duì)較小。

3結(jié)論

本文在探索新型碳纖維復(fù)合材料葉片的基礎(chǔ)上，通過(guò)箱型梁骨架式葉片有限元分析，研究復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片在載荷作用的變形及其力學(xué)特性，進(jìn)而揭示碳纖維復(fù)合材料的鋪層角度對(duì)變形和力學(xué)特性的影響規(guī)律，以其為新材料在風(fēng)力機(jī)葉片上的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

此外，為了進(jìn)一步揭示箱型梁骨架式風(fēng)力機(jī)葉片的好處，對(duì)全復(fù)合材料式葉片也進(jìn)行了分析，其葉片最大應(yīng)力比箱型梁式葉片要低，但是結(jié)構(gòu)造價(jià)和制作周期要長(zhǎng)，因此綜合各方面建議選擇箱型梁骨架式風(fēng)力機(jī)葉片作為風(fēng)力機(jī)葉片的首選。

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Performance of box girder skeleton of wind turbine blade

JIANG Yan1, WANG Wei2,*, HUO Yin-Cai1, SUN Xiao-Ming1, HAN Mei1

(1.SchoolofHydraulicandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 2.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：The blade is a key component of the wind turbine. The wind turbine blade materials will directly affect the performance of the wind turbine. In the present paper, a new carbon fiber composite blade was studied, through finite element analysis of frame beam type blade, the mechanical function and deformation under the load has been investigated. The ply angle of each layer has also been studied. These may provide technical and theoretical basis for improving chinese independent design and manufacturing capacity of long-lived large wind turbine blades.

Key words：blade； carbon fiber composite; performance; finite element analysis

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.005

收稿日期：2015-12-01

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531527)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209147)

作者簡(jiǎn)介：姜艷(1966-)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，碩士，研究方向：水工結(jié)構(gòu)，E-mail:jiangyan@hlju.edu.cn;*通訊作者:王瑋(1979-)，女，黑龍江大慶人，講師，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物力學(xué)性能，E-mail：mimal@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-008X(2016)01-0023-06