王　昊, 范海哲, 李帥斌

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上?！?00090)

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片建模及有限元分析

王昊, 范海哲, 李帥斌

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

選取小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為研究對(duì)象,根據(jù)翼型參數(shù)和葉片幾何參數(shù),利用相應(yīng)的建模軟件,生成三維模型.然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中,建立有限元模型.通過施加風(fēng)力載荷,對(duì)葉片的多種應(yīng)力及位移進(jìn)行了分析,并與其材料拉伸強(qiáng)度和安全位移進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了葉片有限元建模的有效性及葉片在實(shí)際工作中的安全性.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片; 三維建模; 有限元分析; 應(yīng)力分析

風(fēng)能作為一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源,是目前最具大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源,也是一種最具競(jìng)爭(zhēng)力的規(guī)模能源[1].風(fēng)力機(jī)葉片作為攝取風(fēng)能的關(guān)鍵部件,是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一,占整個(gè)風(fēng)機(jī)成本的20%左右.葉片的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體及其零部件的性能和壽命具有直接影響.隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展,風(fēng)力機(jī)逐漸大型化,人們勢(shì)必尋求葉片的大型化、輕質(zhì)化和長(zhǎng)壽命[2].這就使得葉片的外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析顯得尤為重要.葉片作為典型的氣動(dòng)力元件,在旋轉(zhuǎn)過程中不但承受機(jī)械振動(dòng)而且還要承受氣動(dòng)力,因此在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和使用中對(duì)葉片的強(qiáng)度、剛度和使用壽命等性能的分析十分重要,利用工程軟件對(duì)其進(jìn)行建模和有限元分析是研究風(fēng)機(jī)葉片的一種有效手段.

閆海津等人研究了基于UG和GAMBIT的風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模,提出了葉片三維建模的準(zhǔn)則,并能較準(zhǔn)確地進(jìn)行三維建模[3].陳海萍等人對(duì)750 kW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片在風(fēng)力、重力和離心力的作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行了仿真分析[4].趙娜等人以1 MW水平軸風(fēng)力機(jī)葉片為例,利用ANSYS的APDL參數(shù)化語言實(shí)現(xiàn)了葉片的模態(tài)分析及穩(wěn)定性分析[5].王應(yīng)軍等人以一農(nóng)用風(fēng)力機(jī)葉片為例,應(yīng)用有限元方法對(duì)葉片進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化,建立了葉片的振動(dòng)方程,并分別計(jì)算了實(shí)心和空心葉片前十階固有頻率和振型[6].宗楠楠等人通過小型風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度特點(diǎn)的分析,提出了一種梁?jiǎn)卧c實(shí)體單元相結(jié)合的高效率的有限元建模方法,并對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行了有限元法分析[7].

但目前對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的應(yīng)力分析還很少,而葉片的應(yīng)力分析對(duì)于葉片的強(qiáng)度研究非常重要.因此,本文主要是在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)上,采用有限元的方法對(duì)葉片進(jìn)行應(yīng)力分析,以期為風(fēng)力機(jī)的葉片設(shè)計(jì)提供參考.

1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

國(guó)內(nèi)外多數(shù)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)風(fēng)速的范圍在2～6 m/s,這一范圍能夠滿足風(fēng)能豐富區(qū)域、較豐富區(qū)域的不同要求.因此,本文選擇每年平均風(fēng)速為4.2 m/s.葉片設(shè)計(jì)思路如下:

(1) 從葉尖到翼型根部,將葉片沿葉展方向分成9段,每段長(zhǎng)為0.125 m,共10個(gè)截面.

(2) 采用Wilson設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到各葉素面對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)l和扭轉(zhuǎn)角θ.

葉片幾何參數(shù)分布如表1所示[7].

表1　葉片幾何參數(shù)分布

注:截面位置r/R,為比值.

為了方便葉片的建模和分析,本文采用的翼型為NACA0012.該翼型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,其最小相對(duì)厚度為零,最大彎度相對(duì)位置也為零,最大相對(duì)厚度為12%.

2　風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維建模

2.1葉片建模公式

葉片選取NACA0012翼型,其翼型數(shù)據(jù)在文中略去.將NACA0012翼型數(shù)據(jù)(x0,y0)變換為以氣動(dòng)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)(x1,y1).

考慮葉片長(zhǎng)度,結(jié)合弦長(zhǎng)和扭角(見表1),計(jì)算其實(shí)際坐標(biāo),從而得到葉片上各葉素的坐標(biāo)值,其計(jì)算公式為:

(1)

2.2利用solidworks進(jìn)行三維建模

在獲取各葉素的三維坐標(biāo)后,執(zhí)行solidworks中曲線造型菜單,通過XYZ點(diǎn)生成曲線的命令,并輸入得到葉素坐標(biāo).輸入時(shí)可直接讀取txt文件,繪制出一個(gè)葉素輪廓線,如圖1所示.參照以上步驟,分別導(dǎo)入每一個(gè)葉素輪廓線的坐標(biāo),從而可以生成沿展向方向所有的葉素輪廓曲線.再使用插入平面中的平面區(qū)域命令,將每一個(gè)葉素面填充為實(shí)心平面.最后使用放樣命令,將各個(gè)葉素面拉伸成為葉片表面,得到最終的三維模型,如圖2所示.

圖1　葉素輪廓曲線

圖2　葉片CAD模型

3　ANSYS有限元分析

3.1葉片的有限元建模與網(wǎng)格劃分

(1) 導(dǎo)入有限元模型為方便導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析,將葉片的三維模型保存為IGS格式“體”文件,并將保存的IGS葉片文件導(dǎo)入[8].

(2) 定義材料參數(shù)本文采用的材料是玻璃鋼,其材料參數(shù)如表2所示.

表2　玻璃鋼材料參數(shù)

(3) 定義分析類型及單元類型將分析類型選為Structural.選取單元類型為solid186實(shí)體單元.

(4) 劃分網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,不需要進(jìn)行網(wǎng)格的無關(guān)性驗(yàn)證,劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示.

圖3　風(fēng)力機(jī)葉片的有限元模型

3.2施加載荷

在工作時(shí),葉片受到重力、離心力和氣動(dòng)力的影響.由于重力和離心力很小,故在分析時(shí)忽略不計(jì),所受的風(fēng)力載荷可分解為垂直于風(fēng)輪平面的法向力和作用于風(fēng)輪平面內(nèi)的切向力.由于葉片截面為扁平狀,切向力產(chǎn)生的彎矩對(duì)葉片的彎曲和強(qiáng)度影響很小,也可以忽略不計(jì).因此,為了簡(jiǎn)單起見,風(fēng)力機(jī)葉片的載荷中僅考慮法向力,其估算式為:

(2)

式中:ρ——空氣密度,取1.29 kg/m3;

v——正常風(fēng)速,取4.7 m/s.

3.3計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1Mises應(yīng)力求解

通過模擬得到葉片在風(fēng)載作用下的應(yīng)力分布.圖4為葉片的Mises應(yīng)力分布圖.由圖4可知,葉片中部附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,表明葉片中部是在工作時(shí)最容易損壞的地方,其次是葉片的根部.最大應(yīng)力發(fā)生在葉片的中部位置,約為72.35 MPa.該值低于玻璃鋼材料的拉伸強(qiáng)度325 MPa.

圖4　葉片的Mises應(yīng)力分布

3.3.2位移求解

圖5為葉片的X軸方向位移分布,圖6為葉片的位移矢量和分布圖.由圖5可知,在X軸方向,葉尖的位移量較大.另外,X軸方向正好是葉片的法向,而法向正好是葉片位移最危險(xiǎn)的方向.由圖6可知,葉尖的最大位移為0.34 m,在允許的安全范圍內(nèi).

圖5　葉片的X軸方向位移分布

圖6　葉片位移矢量和分布

3.3.3彈性應(yīng)力求解

圖7為葉片的綜合彈性應(yīng)力分布圖.從圖7可以看出,越靠近葉片中心,其彈性應(yīng)力就越大.在葉片的中心,彈性應(yīng)力達(dá)到最大.由此可知葉片的中心處是最易損壞的,這與之前的綜合應(yīng)力分布相對(duì)應(yīng).

圖7　葉片彈性應(yīng)力分布

3.3.4機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力綜合求解

圖8為機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力綜合分布圖.由圖8可知,葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,會(huì)受到熱應(yīng)力的作用,熱應(yīng)力對(duì)其影響較小,綜合應(yīng)力起主要作用.

圖8　機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力綜合分布

綜上所述,在模擬的風(fēng)載條件下,其最大應(yīng)力分布在葉片的中間部分和葉根處,因此這兩個(gè)部分是葉片最容易損壞的地方,但是它所受到的應(yīng)力大小在可接受范圍內(nèi).從葉片的位移分布圖可以看出,葉尖部分的位移量最大,最容易與風(fēng)輪等其他設(shè)備發(fā)生碰撞,但葉根部的位移量不足以發(fā)生危險(xiǎn).

4　結(jié)　論

(1) 通過對(duì)綜合應(yīng)力的求解可知,葉片受到的最大應(yīng)力發(fā)生在葉片中部,但其最大應(yīng)力小于葉片材料玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度;

(2) 通過求解其位移可知,葉片在工作時(shí)最大位移發(fā)生在葉片尖部,但小于風(fēng)力機(jī)允許的安全位移;

(3) 通過彈性應(yīng)力的求解可知,其應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生在葉片中心,與綜合應(yīng)力相對(duì)應(yīng);

(4)通過求解其熱應(yīng)力可知,在葉片工作時(shí)熱應(yīng)力不起主要作用.

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[2]廖明夫,GASCH R,TWELE J.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2009:171-173.

[3]閆海津,胡丹梅.風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模[J].能源技術(shù),2009,30(2):89-95.

[4]陳海萍,孫文磊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的動(dòng)力特性分析[J].機(jī)床與液壓,2010,38(23):101-102.

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(編輯胡小萍)

Modeling and FEM Analysis of the Wind Turbine Blade

WANG Hao, FAN Haizhe, LI Shuaibin

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

The small-scale wind turbine blade is focused on.Based on the parameters of airfoil and the geometrical parameters of blade,the three-dimensional model of blade is established through the use of the modeling software.Then the model is introduced into ANSYS software,so the FEM model of blade is created.By applying the aerodynamic loads,the FEM model of blade is analyzed for the stress analysis and displacement analysis of blade.The FEM results are compared with the tensile strength of the material and the safe displacement.Therefore,the effectiveness of FEM model and real safety of blade are verified.

wind turbine blade; three-dimensional modeling; finite element method analysis; stress analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.011

2015-03-23

簡(jiǎn)介：王昊(1972-),男,博士,副教授,安徽泗縣人.主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù),機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制等.E-mail:whouco@gmail.com.

TK83

A

1006-4729(2016)03-0257-04