顏愛平

湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于ANSYS的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

顏愛平

湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，也是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率和使用壽命的重要部件，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析具有重要的作用。本文以1.2兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為例，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片動(dòng)力特征方程，并采用AN?SYS Workbench軟件進(jìn)行防真分析，了解兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，旨在為人們提供一定的參考。

ANSYS；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由機(jī)艙、塔架和葉片等構(gòu)件組成，不同部件之間的彈性變形和空間運(yùn)動(dòng)會(huì)相互影響，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性變得非常復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中受到的力非常復(fù)雜，其為細(xì)長(zhǎng)彈性體，非常容易發(fā)生振動(dòng)，為了判斷葉片運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，就要加強(qiáng)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究。

1.基于ANSYS的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有限元模型

利用ANSYS Workbench軟件建立葉片有限元模型具有一定的局限性，因此在建模過(guò)程中先采用Pro/E建模軟件建模，然后將得到的葉片實(shí)體文件生成的x-t格式導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中。在葉片建模過(guò)程中要結(jié)合1.2兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的氣動(dòng)參數(shù)來(lái)建模。氣動(dòng)參數(shù)包括1.2兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率、額定風(fēng)速、葉輪直徑、葉片半徑、葉尖速比、葉片質(zhì)量、切出風(fēng)速、切入風(fēng)速、塔架高度等。采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分的方式對(duì)葉片進(jìn)行劃分，建立葉片有限元模型。

2.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型之后，進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，分別為動(dòng)態(tài)模擬和靜態(tài)模擬。其中動(dòng)態(tài)模擬視模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、正常運(yùn)行、空轉(zhuǎn)、正常停機(jī)、緊急停機(jī)和停機(jī)等工作狀況的葉片變形量、力矩以及荷載等。靜態(tài)模擬則是假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在理想狀態(tài)和穩(wěn)定的風(fēng)況下，計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種參數(shù)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組前期設(shè)計(jì)中這些參數(shù)能夠發(fā)揮出重要的作用，可以為風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)計(jì)和性能分析提供可靠的依據(jù)[1]。

2.1 系統(tǒng)的固有頻率

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的固有頻率如果和外界激振力的頻率保持一致，此時(shí)兩者就會(huì)發(fā)生共鳴，發(fā)電機(jī)組就會(huì)受到巨大的破壞，這對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命是非常不利的，因此對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)一定要讓系統(tǒng)的固有頻率和外界激振力不同。采用軟件計(jì)算，得到系統(tǒng)的共振圖，如下圖1所示：

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的共振圖

由圖1可看出系統(tǒng)固有頻率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率不能為風(fēng)輪激勵(lì)的3倍頻率和1倍頻率，而圖中系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速的范圍之內(nèi)沒(méi)有與3倍頻率和1倍頻率相交，因此可以說(shuō)明整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間之間是可以穩(wěn)定運(yùn)行的。

2.2 葉片振動(dòng)位移

采用軟件可以得到正常運(yùn)行疲勞載荷工況下葉片的側(cè)向和前后位移，位移圖是采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流風(fēng)模型得到的，是在疲憊荷載的工作狀況下，模擬時(shí)間10分鐘，正常的風(fēng)剪切指數(shù)為0.2，垂直風(fēng)入流角為10度，荷載工況為切入風(fēng)速到切出風(fēng)速，間隔每秒2米。在這個(gè)工況下，如果風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在葉片上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面垂直的陀螺力荷載。葉片受到法向力，這個(gè)法向力會(huì)對(duì)葉片形成氣動(dòng)推力，并且這個(gè)氣動(dòng)推力比較大。葉片受到一個(gè)空氣動(dòng)力荷載，葉片受到的切向力同時(shí)也會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生一個(gè)升力。由于葉片受到的氣動(dòng)推力比較大，也是這個(gè)氣動(dòng)推力使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，氣動(dòng)推力對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)具有很大的影響，導(dǎo)致葉片的側(cè)向振動(dòng)幅度比較小，但是葉片的前后方向的振動(dòng)幅度比較大。

對(duì)正常停機(jī)工況下葉片的側(cè)向位移和前后位移進(jìn)行分析，采用極限風(fēng)模型，旋轉(zhuǎn)極限荷載類型，設(shè)置垂直風(fēng)入流角為10度，正常風(fēng)剪切指數(shù)為0.2，模擬1分鐘。當(dāng)風(fēng)力機(jī)從額定轉(zhuǎn)速減速旋轉(zhuǎn)，并達(dá)到停車狀況時(shí)，葉片在前后方向上和側(cè)向的運(yùn)動(dòng)都是在衰減的。當(dāng)風(fēng)力機(jī)組達(dá)到停機(jī)初期，此時(shí)葉片的位移呈現(xiàn)出周期性的變化，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較大的振幅，然后慢慢衰減，最后到達(dá)零，機(jī)組停機(jī)[2]。

在啟動(dòng)模擬工況下對(duì)葉片的側(cè)向位移和前后位移進(jìn)行分析，可以采用定速風(fēng)模型，模擬時(shí)間1分鐘，在疲勞荷載的類型下。當(dāng)風(fēng)力機(jī)由停車的狀態(tài)開始啟動(dòng)，通過(guò)加速選擇達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪葉片的起始位移會(huì)產(chǎn)生非常大的波動(dòng)。這主要是由于風(fēng)輪葉片受到的氣動(dòng)增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度也是增大的，當(dāng)啟動(dòng)完成之后，風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)就會(huì)慢慢恢復(fù)平穩(wěn)，最終達(dá)到額定的工作狀況。

3.結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行防真模擬，通過(guò)模擬三個(gè)不同工況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中葉片的振動(dòng)位移，可以得出一系列的結(jié)論。在停車和啟動(dòng)的工況下，葉片在側(cè)向和前后方向的運(yùn)動(dòng)都是逐漸衰減的。在停車過(guò)程中，葉片會(huì)受到剎車力矩、慣性力等的作用，影響葉片的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。為了讓葉片的運(yùn)動(dòng)在停車過(guò)程中也可以比較穩(wěn)定的減少，就一定要對(duì)葉片進(jìn)行校核。機(jī)組在正常的運(yùn)行狀況下，由于氣動(dòng)推力對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此葉片的擺振振幅比較小，揮舞振動(dòng)幅度比較大。

[1]司敏劼.基于ANSYS兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞壽命分析[D].蘭州理工大學(xué),2015.

[2]胡國(guó)玉,孫文磊,董平.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析[J].可再生能源,2015,33(6)：871-875.