張崇文+趙高暉+仲梁維

摘要：葉片是豎直風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵零件，為了確保葉片工作的穩(wěn)定性，分析葉片結(jié)構(gòu)尤為必要。針對(duì)葉片是否會(huì)在風(fēng)力作用下發(fā)生破壞，采用3D與2D相結(jié)合分析的方式對(duì)葉片整體和垂直截面進(jìn)行分析建模。根據(jù)建立的葉片幾何模型，利用Fluent軟件進(jìn)行氣動(dòng)力分析，得到葉片上最大風(fēng)載，并以此為邊界條件利用Ansys有限元軟件對(duì)豎直風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行靜力分析。仿真結(jié)果表明，葉片中部變形最大，在葉片連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，可為風(fēng)機(jī)葉片的安裝與優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；豎直葉片；Fluent；靜力分析

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16727800（2017）004008303

0引言 我國(guó)作為能源消耗大國(guó)，風(fēng)能憑借分布范圍廣、存在形式相對(duì)較為穩(wěn)定、無(wú)污染、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)家重點(diǎn)研究的對(duì)象，是目前為止最具有應(yīng)用前景且技術(shù)相對(duì)成熟的可再生性能源。豎直型風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，具有能夠吸收各方向風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、制造成本低、生態(tài)優(yōu)勢(shì)明顯，越來(lái)越引起行業(yè)關(guān)注。葉片作為豎直風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能與壽命，因此在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析、可靠性分析十分重要。 徐浩等[2]基于Fluent對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性進(jìn)行研究，結(jié)合兩種葉片的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型葉片；王昊等[3]基于Solidworks建立了水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維模型，在法向力作用下對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行了分析；劉洋[4]基于Midas NFX有限元軟件對(duì)1kW豎直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行了靜力分析，得出風(fēng)機(jī)葉片的受力分布規(guī)律。本文通過(guò)Solidworks建立三維模型，運(yùn)用2D方法在Fluent中求出葉片上的風(fēng)載，結(jié)合ANSYS軟件對(duì)豎直風(fēng)機(jī)進(jìn)行有限元分析，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的安全性。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)

本文葉片采用與NACA0018相似的新型翼板，主要特點(diǎn)是葉片內(nèi)部有加強(qiáng)筋，提高葉片整體剛度，葉片具體參數(shù)在文中略去，葉片模型如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，葉片工作環(huán)境比較惡劣，既要滿足葉片強(qiáng)度與剛度要求，又要降低加工難度、提高性價(jià)比，因此材料選用玻璃鋼[5]。玻璃鋼即纖維強(qiáng)化塑料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，有很好的耐腐蝕性，可設(shè)計(jì)性優(yōu)越，能夠根據(jù)不同需要靈活應(yīng)用于各類產(chǎn)品，玻璃鋼性能參數(shù)如表1所示。

2風(fēng)載計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中除了受到因轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力和自身重力外，還受到空氣作用于葉片上的氣動(dòng)力即風(fēng)載。如果通過(guò)常規(guī)的3D建模進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算網(wǎng)格可達(dá)到一個(gè)非常巨大的數(shù)目，計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，不易得到準(zhǔn)確結(jié)果。所以通過(guò)建立葉片2D幾何模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到葉片上的風(fēng)載，計(jì)算流程如圖2所示。

2.1幾何模型建立

ICEM作為前置處理軟件，具有很強(qiáng)的模型處理和網(wǎng)格劃分能力，并且與許多軟件有良好的兼容性。首先對(duì)葉片進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)AutoCAD中做出簡(jiǎn)化后的葉片進(jìn)行2D建模并確定計(jì)算域。如果計(jì)算域太大，會(huì)消耗過(guò)多計(jì)算機(jī)資源，太小又不能準(zhǔn)確模擬，因此采用使用較多的12D×6D 的矩形區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外流場(chǎng)。同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于計(jì)算域內(nèi)，為了模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)與附近一定范圍的相對(duì)流動(dòng)，將葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域作為旋轉(zhuǎn)域，與外流場(chǎng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，方便后期網(wǎng)格處理，提高葉片周圍網(wǎng)格數(shù)量。葉片處于旋轉(zhuǎn)域中，聯(lián)接葉片與塔臺(tái)的連接架對(duì)分析影響較小，在仿真時(shí)忽略對(duì)旋轉(zhuǎn)域的影響，以dwg文件導(dǎo)入Icem中，進(jìn)行網(wǎng)格處理，圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾何模型。

如圖3所示，D為葉片的旋轉(zhuǎn)直徑3.6m，風(fēng)從計(jì)算域的左側(cè)進(jìn)入，葉片到左側(cè)邊界的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的3倍，到上下邊界的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的3倍，到右側(cè)出口的距離是旋轉(zhuǎn)直徑的9倍。2.2ICEM 前處理

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量、減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行主次劃分。將整個(gè)域劃為3個(gè)計(jì)算域：旋轉(zhuǎn)域外的外流域、旋轉(zhuǎn)域和中心的內(nèi)流域。利用O-Grid方法對(duì)計(jì)算域分塊處理，對(duì)旋轉(zhuǎn)域附近網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格處理后，越靠近葉片的區(qū)域網(wǎng)格越稠密，遠(yuǎn)離葉片的外流域網(wǎng)格稀疏，劃分后的網(wǎng)格如圖4所示。

在進(jìn)入Fluent求解器前，先在Icem中創(chuàng)建邊界Part。將矩形左側(cè)設(shè)為入口邊界、右側(cè)為出口邊界，上、下邊為對(duì)稱邊界，旋轉(zhuǎn)域與外流域的接觸面為滑移邊界[67]。

2.3FLUENT求解

在Fluent軟件中進(jìn)行流場(chǎng)分析，為獲得風(fēng)載的唯一解，需要進(jìn)行計(jì)算域邊界條件各種參數(shù)值設(shè)定，選擇氣動(dòng)計(jì)算中經(jīng)常使用的spalart-Allmaras方程湍流模型，介質(zhì)為理想空氣，定義入口邊界條件，將進(jìn)口風(fēng)速的速度作為輸入條件，出口邊界為環(huán)境壓力。將旋轉(zhuǎn)域的邊界與外流域邊界耦合進(jìn)行求解。風(fēng)機(jī)葉片在流場(chǎng)中的壓力云圖如圖5所示。 從葉片的壓力云圖中可以發(fā)現(xiàn)，位于迎風(fēng)側(cè)的葉片表面所受壓強(qiáng)最大，主要位于葉片的前緣，最大壓強(qiáng)為142.9MPa。葉片上下表面存在比較明顯的壓力差，使葉片產(chǎn)生力矩進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

3風(fēng)機(jī)靜力分析

3.1靜力分析基礎(chǔ)

靜力分析是最基礎(chǔ)、最常用的有限元分析方法，在大部分工程計(jì)算中都必不可少。所謂靜力分析就是結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)載荷的作用，慣性和阻尼可以忽略[8]，在此載荷的影響下，引起結(jié)構(gòu)的響應(yīng)包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，以此判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足強(qiáng)度上的要求。由經(jīng)典力學(xué)理論可知?jiǎng)恿W(xué)通用方程為： [M]{x"}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}（1）其中，[M]為質(zhì)量矩陣，{x''}為速度矢量，[C]為阻尼矩陣，{x'}為加速度矢量，[K]為剛度矩陣，{x}為位移矢量，{F（t）}為力矢量。線性靜力分析中的物理量都不隨時(shí)間變化，因此對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化得到線性靜力方程： [K]{x}={F（t）}（2）其中{F}為靜力載荷，由于不考慮慣性的影響，質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。靜態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)需要添加約束使之處于靜力平衡狀態(tài)來(lái)進(jìn)行求解。有限元軟件中靜力分析主要流程如圖6所示。

3.2三維模型建立

本文在Solidworks中建立豎直風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。去除模型中的圓角和小孔，將部分零件從其結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)進(jìn)行一體化操作。將處理好的模型導(dǎo)入Ansys Workbench中進(jìn)行靜力分析。

3.3網(wǎng)格建立

模型文件建立后只有通過(guò)網(wǎng)格劃分才能進(jìn)入求解計(jì)算，網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)是對(duì)有限元模型離散化，通過(guò)一定數(shù)量的網(wǎng)格單元得到準(zhǔn)確的解，而幾何模型本身并不參與計(jì)算，因此網(wǎng)格劃分在有限元分析中必不可少。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響計(jì)算時(shí)間和精度，劣質(zhì)的網(wǎng)格不僅會(huì)造成計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至無(wú)法求解。本文主要研究是的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片部分，因其輪廓比較復(fù)雜，流線型的形狀不宜劃分網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格適應(yīng)性比較好，但節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)比六面體多，因此采用六面體與四面體結(jié)合的方式，并結(jié)合圣維南原理[9]通過(guò)影響球功能進(jìn)行局部細(xì)化。葉片劃分后的網(wǎng)格數(shù)目為8 810，如圖7所示。

3.4風(fēng)機(jī)載荷

葉片在運(yùn)行過(guò)程中，受到重力、離心力和氣動(dòng)力的作用，葉片材料使用的玻璃鋼，密度低、質(zhì)量輕，忽略其重力和離心力對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的影響。由風(fēng)載計(jì)算可知，在工作時(shí)葉片在迎風(fēng)側(cè)的表面所受載荷最大，如圖5葉片壓力云圖所示，最大風(fēng)載為142.9Pa，位于葉片前緣輪廓線法線方向。因此，風(fēng)機(jī)葉片的載荷只考慮法向力，以均布載荷方式添加在葉片上。

3.5計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算得到葉片壓力云圖及其在風(fēng)載作用下的位移圖，如圖8、圖9所示。

可以看出，葉片的變形主要集中在中部呈對(duì)稱分布，葉片前緣厚度大變形小，尾緣厚度小變形大，最大為6.3×102mm。應(yīng)力最大位置發(fā)生在連接處，并由連接處向兩側(cè)遞減，最大等效平均應(yīng)力為15.146MPa。結(jié)合圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，葉片連接處的位置對(duì)葉片變形影響比較大，可以對(duì)葉片連接處的位置進(jìn)行優(yōu)化，減小變形量，為葉片的設(shè)計(jì)與校核提供依據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)豎直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)風(fēng)載計(jì)算得到葉片表面壓力分布規(guī)律，揭示了風(fēng)機(jī)工作原理[10]。風(fēng)機(jī)葉片靜力分析中最大應(yīng)力15.146MPa，小于玻璃鋼的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)更加深入理解豎直風(fēng)力發(fā)電機(jī)有重要意義。通過(guò)風(fēng)載分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片位于不同轉(zhuǎn)角時(shí)，葉片上所受壓強(qiáng)不同，葉片前緣與尾緣的壓強(qiáng)差也不一樣，可知葉片數(shù)目和角度會(huì)改變?nèi)~片的升力，影響風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能，因此可以對(duì)此開(kāi)展進(jìn)一步研究與優(yōu)化，以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能。

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