文 | 何建武，劉超，張正川，張洪磊，汪冬冬

葉片故障時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)受力特性分析*

文 | 何建武，劉超，張正川，張洪磊，汪冬冬

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪復(fù)雜的三維非定常運(yùn)動，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生時(shí)變載荷，從而對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生時(shí)變激勵，這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有重要影響，而且在某些故障情況下葉片載荷隨時(shí)間的波動可能會更加劇烈，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，所以有必要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片瞬態(tài)受力特性及瞬態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。

在距葉尖三分之一葉長的地方發(fā)生斷裂是小型離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的葉片斷裂情況之一，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)，由于各種原因，故障發(fā)生后機(jī)組常有帶故障運(yùn)行的情況發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)組的整體結(jié)構(gòu)破壞，但是未到檢修期，故障問題一般難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。為降低這種常見的葉片斷裂故障造成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞程度、減小經(jīng)濟(jì)損失，有必要在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)初期確定出帶故障運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)易受損區(qū)域，以進(jìn)行合理加固。本文針對額定風(fēng)速下葉片完好、距葉尖三分之一處斷裂兩種情況，基于單向流固耦合方法，將流場瞬態(tài)數(shù)值模擬得到的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確定出葉片斷裂情況下的大應(yīng)力應(yīng)變區(qū)，為結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化、故障診斷分析提供一定的參考。

三維模型

本文以國產(chǎn)HY-1000/48小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對象，其基本參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速750rpm，額定功率1000W，啟動風(fēng)速2.5m/s、切入風(fēng)速3.0m/s、額定風(fēng)速12m/s、最大承受風(fēng)速50m/s，風(fēng)輪直徑1.75m，葉片數(shù)量5片，整機(jī)重量28kg。針對葉片完好、某一葉片距葉尖三分之一處斷裂兩種情況，利用SolidWorks軟件分別建立三維模型，并以輪轂與葉片連接處的軸心（風(fēng)輪中心）作為原點(diǎn)建立計(jì)算坐標(biāo)系，采用施加合力的方式對軸施加載荷，所以在固體結(jié)構(gòu)計(jì)算中省去葉片。簡化后的流體、固體計(jì)算域三維模型如圖1所示。

網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

一、網(wǎng)格劃分

由于葉片扭曲，機(jī)艙和塔架形狀不規(guī)則，為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需要對固壁邊界層進(jìn)行加密處理以盡量保證y+要求，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，葉片邊界層采用5層棱柱網(wǎng)格，其余流場采用四面體網(wǎng)格。為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，對完好葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)五套網(wǎng)格，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)（steady）計(jì)算，統(tǒng)計(jì)各套網(wǎng)格下風(fēng)輪輸出功率，如表1所示，比較發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格四和網(wǎng)格五相差不到2%，則網(wǎng)格滿足無關(guān)性要求。為節(jié)約計(jì)算資源，取網(wǎng)格四為計(jì)算網(wǎng)格，最終劃分結(jié)果如圖2所示。完好葉片和斷裂葉片狀態(tài)都采用相同的網(wǎng)格劃分設(shè)置，以保證網(wǎng)格對計(jì)算的影響最小。固體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為452589，網(wǎng)格單元總數(shù)為211245。劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三維模型

二、邊界條件及相關(guān)設(shè)置

采用CFX軟件進(jìn)行流場數(shù)值計(jì)算，為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件。分別對葉片完好、葉片斷裂情況下的流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算：進(jìn)口給定速度值為12m/s，湍流強(qiáng)度10%；旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)軸為Z軸，旋轉(zhuǎn)速度750rpm；出口設(shè)定為自由出流，給定靜壓值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；將地面設(shè)置為無滑移壁面，其余面設(shè)為對稱面；湍流模型選擇k-ω SST模型；轉(zhuǎn)動和非轉(zhuǎn)動交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型（Frozen Rotor）；時(shí)間步長設(shè)為0.0016s；設(shè)定收斂殘差小于1e-4；最大收斂步長設(shè)為5000。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

瞬態(tài)計(jì)算：進(jìn)出口條件、壁面設(shè)置等與穩(wěn)態(tài)計(jì)算相同；轉(zhuǎn)動和非轉(zhuǎn)動交界面采用瞬態(tài)動靜干涉模型（Transient Rotor Stator）；瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間總長為1.6s（20圈），時(shí)間步長設(shè)為0.0016s，每個(gè)迭代步最少計(jì)算3次，最多計(jì)算10次；收斂殘差小于1e-4。

采用ANSYS軟件瞬態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架、尾翼材料為45#鋼，發(fā)電機(jī)軸為40鉻，機(jī)艙外殼材料為鋁合金。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除受風(fēng)載荷外，還受到自身重力和底座的固定支撐作用。計(jì)算總時(shí)間取0.8s（10圈），載荷時(shí)間步長設(shè)置為0.0016s，從流場中提取兩種狀態(tài)下0.8s到1.6s的面載荷分別施加于固體對應(yīng)面上。

計(jì)算結(jié)果分析

一、流場計(jì)算結(jié)果分析

空氣流經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，由于空氣和葉片的相互作用，葉片獲得來自空氣的能量，同時(shí)葉片作為阻礙體，對流場有嚴(yán)重干擾，因此，要比較葉片斷裂對流場的影響，必須從葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域入手。以圖3作為初始狀態(tài)，過葉輪旋轉(zhuǎn)中心分別作垂直于Y、Z軸的截面Y＝0、Z＝0，將其作為流場分析截面，如圖4所示，并選取兩種情況下風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一圈5個(gè)典型位置（葉片每旋轉(zhuǎn)72°）的流場進(jìn)行比較，以分析不同葉片旋轉(zhuǎn)位置下的流場特性。

（一）Z＝0截面壓力分布

圖5是Z＝0截面不同時(shí)刻的靜壓力分布，該截面通過葉輪旋轉(zhuǎn)中心并穿過葉片，從靜壓力云圖可以看到，葉片表面附近壓力較低，且葉尖附近有壓力極小值。而葉片斷裂情況下，由于斷裂葉片缺少葉尖部分，所以沒有明顯的壓力極小值出現(xiàn)。

（二）Y＝0截面速度分布

Y＝0截面平行于塔架并經(jīng)過葉輪旋轉(zhuǎn)中心，所以該截面的速度分布可以反映經(jīng)過葉輪后流場的受擾動情況。圖6是Y＝0截面不同時(shí)刻的速度分布，可以看到兩種情況下截面速度分布整體上是一致的。分別截取兩種葉片狀態(tài)下不同時(shí)刻的葉片速度矢量，如圖7所示，可以看到葉片完好情況下葉尖附近有速度極大值，葉片斷裂情況下斷裂的葉尖部分速度值明顯減小。

（三）葉片受力情況

圖3 初始時(shí)刻兩種風(fēng)輪狀態(tài)

圖4 流場分析截面示意圖

圖5 Z=0截面靜壓力云圖

圖6 Y=0截面速度分布

圖7 兩種情況下葉片速度矢量

為分析葉片在流場中的受力情況，在CFX求解器中設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，以全面監(jiān)測所有葉片在X、Y、Z方向上合力和合力矩的變化情況。圖8給出了0.5s（6.25圈）內(nèi)兩種情況下所有葉片X、Y、Z三個(gè)方向所受合力情況?？梢钥吹剑谌~片完好情況下，X、Y方向受力在-1N到1N間波動，Z方向受力大小在280N附近波動，波幅較小。葉片斷裂情況下，X、Y方向受力在-3N到3N間波動，Z方向受力大小在250N附近波動，波幅較葉片完好情況下的大。圖9是0.5s內(nèi)兩種情況所有葉片X、Y、Z三個(gè)方向所受力矩情況。葉片完好情況下，X、Y方向力矩在-5N·m到5N·m之間波動，Z軸力矩值在12N·m附近波動。葉片斷裂情況下，X、Y方向力矩值在-25N·m到25N·m之間波動，Z軸力矩值在13.5N·m附近波動。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要是X軸、Y軸、Z軸的合力矩分別由YZ方向、XZ方向、XY方向合力決定，葉片斷裂時(shí)葉輪沿Z向的受力面積減小，而周向受力偏離軸心，最終造成Z向受力減小，X方向、Y方向合力波動幅度增大，對應(yīng)的X軸、Y軸、Z軸力矩波動幅度也隨之增大。

二、瞬態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

采用工程中常用的第四強(qiáng)度理論，即Von Mises屈服條件進(jìn)行強(qiáng)度分析。由圖8、圖9可以看到葉片受力具有明顯的周期性，為尋找瞬時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)部位，只需分析旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的受力情況則可，因此，對旋轉(zhuǎn)一圈內(nèi)的幾個(gè)典型時(shí)刻，如1.51s、1.53s、1.55s、1.57s時(shí)刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行分析。圖10是葉片完好情況下不同時(shí)刻等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，如圖所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在塔架底部，軸上也有較大應(yīng)力分布，其余部位應(yīng)力較小。圖11是葉片斷裂情況下不同時(shí)刻等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，可以看到，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在塔架底部，應(yīng)力值大小較葉片完好情況明顯增大，并且軸、尾舵等部位應(yīng)力也有增大。

從圖10、11可看出，一段時(shí)間內(nèi)，在軸或塔架底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，為研究應(yīng)力集中部位隨時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變情況，在軸和塔架底部表面各取一監(jiān)測點(diǎn)，如圖12所示，由于旋轉(zhuǎn)的周期性，只需對葉輪旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)（取1.5s到1.58s）隨時(shí)間變化的等效應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行提取則可，如圖13、14所示。從圖中可以看出葉片完好情況下，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，塔架底部監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的波動程度大于軸監(jiān)測點(diǎn)，但差距不大；葉片斷裂情況下，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，塔架底部監(jiān)測點(diǎn)和軸監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的波動程度都被放大，其中塔架底部監(jiān)測點(diǎn)的波動程度明顯大于軸監(jiān)測點(diǎn)，最大應(yīng)力增幅達(dá)45Mpa；塔架底部監(jiān)測點(diǎn)和軸監(jiān)測點(diǎn)的最小應(yīng)力值差距較小，為12Mpa左右，但最大應(yīng)力值差距較大，達(dá)到了30Mpa左右。因此，對于出現(xiàn)大應(yīng)力應(yīng)變的塔架底部區(qū)域，應(yīng)對塔架底部采取一定的優(yōu)化、加固措施，以保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并在運(yùn)行過程中加強(qiáng)對該區(qū)域的故障監(jiān)測。

圖8 葉片0.5s內(nèi)受力變化情況

圖9 葉片0.5s內(nèi)力矩變化情況

圖10 葉片完好情況應(yīng)力分布云圖（1.51s、1.53s、1.55s、1.57s）

圖11 葉片斷裂情況下應(yīng)力分布云圖（1.51s、1.53s、1.55s、1.57s）

圖12 監(jiān)測點(diǎn)示意圖

圖13 監(jiān)測點(diǎn)0.08s內(nèi)應(yīng)力

圖14 監(jiān)測點(diǎn)0.08s內(nèi)應(yīng)變

結(jié)論

本文以某小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對象，建立葉片完好和距葉尖三分之一處斷裂兩種情況的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組流體、固體計(jì)算域三維模型，分別進(jìn)行流場數(shù)值計(jì)算，并基于單向流固耦合，分別將提取流場數(shù)值計(jì)算得到的瞬態(tài)載荷，施加于固體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行兩種情況下的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）葉片葉尖處斷裂會對流場產(chǎn)生擾動，相較于完好葉片，斷裂的葉尖壓力值有所增大，速度值明顯減小，風(fēng)輪水平和豎直方向的力和力矩隨時(shí)間波動幅度增大，軸向力有所減小，軸向力矩稍有增大。

（2）利用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，葉片斷裂情況下：塔架底部和軸的最大應(yīng)力應(yīng)變值不同程度地增大；塔架底部和軸的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的波動程度都被放大，塔架底部的波動程度明顯大于軸；雖然塔架底部和軸的最小應(yīng)力值幾乎相等，但塔架底部的最大應(yīng)力值幾乎是軸的兩倍。因此，應(yīng)對塔架底部采取合理優(yōu)化、加固措施，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

上海市青浦區(qū)產(chǎn)學(xué)研合作發(fā)展資金項(xiàng)目（青產(chǎn)學(xué)研2015-23）

（作者單位：上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所）