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        風電葉片建模及結構分析與測試*

        2018-06-03 23:46:56周曉亮程明哲
        機電工程技術 2018年5期
        關鍵詞:分析模型

        孔 魁,周曉亮,程明哲

        (浙江運達風電股份有限公司風力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室,浙江杭州 310012)

        0 引言

        風電葉片是風力發(fā)電設備的關鍵部件,其制造成本占設備總成本的20%~30%,葉片設計與制造是風電機組中較關鍵的技術[1~5],直接決定了風電機組的發(fā)電性能、設備的可靠性,同時也影響著整機的載荷水平。FOCUS軟件是一款用于風電機組及組件快速設計分析的工具,在國內外有多年的應用史[6~7]。鑒于此,本文基于FOCUS軟件構建某兆瓦級葉片模型并進行結構分析,并通過與測試值對比,驗證計算的可靠性。

        1 建立葉片F(xiàn)OCUS模型

        FOCUS具有三維交互式或參數(shù)化兩種建模方式;參數(shù)化建模能夠快速創(chuàng)建葉片模型,三維交互式界面可直觀顯像葉片設計,方便檢查和調整模型。葉片F(xiàn)OCUS建模流程如圖1所示。

        使用FOCUS進行葉片建模具體流程如下:首先,通過單位弦長為1的翼型坐標點定義翼型輪廓線和旋轉中心;其次,設置各截面所選用的翼型、弦長、扭角、預彎數(shù)據(jù)創(chuàng)建葉片的三維外形;然后在三維外形的基礎上定義各部件鋪層邊界;最后,選擇各鋪層對應的材料類型和鋪層邊界,根據(jù)設計厚度和層數(shù)及對應的截面位置,完成風力機葉片的建模。

        圖1 葉片建模流程圖

        2 葉片的重量計算及模態(tài)分析

        2.1 葉片重量計算

        基于 FOCUS的 FAROB_Parse_Model和 FAR?OB_Build_Blade_database計算步下,提取該葉片模型的截面屬性。圖2為計算得到的葉片的質量分布,由于葉根段要與變槳軸承通過螺栓連接,其設計厚度較大,同時葉根基體內埋有金屬螺栓套,故葉根處的單位重量最大。葉片的計算重量12 067 kg,葉片實際重量12 425 kg,重量偏差2.88%。

        圖2 葉片模型質量分布

        圖3 揮舞一階頻率

        2.2 葉片的模態(tài)計算

        研究葉片模態(tài),主要是計算葉片的頻率及振型,防止葉片頻率與風輪激振頻率和塔架固有頻率發(fā)生共振?;贔OCUS軟件的FAROB_eigen_frquencies計算步下,對葉片模型進行模態(tài)分析,并提取一階揮舞、二階揮舞、一階擺振和二階擺振的振型,如圖3~6所示。

        計算頻率與測試頻率對比見表1,計算與測試偏差在5%以內,符合GL2010規(guī)范要求。

        圖4 揮舞二階頻率

        圖5 擺振一階頻率

        3 靜力分析

        3.1 位移分析

        葉片靜力測試過程中,通過特定截面安裝的加載夾具,將測試載荷逐步從0%,40%,60%,80%加載到100%。利用FOCUS的自定義載荷模塊,將四個方向上的測試載荷定義為四個載荷工況,對FOCUS中葉片的梁單元模型加載測試載荷,仿真葉片各截面的加載位移,四個加載工況下葉片位移的仿真值與測試值對比如圖7~10。

        圖7 最大揮舞方向位移仿真值與測試值對比

        圖9 最大擺振方向位移仿真值與測試值對比

        圖6 擺振二階頻率

        表1 FOCUS計算頻率與測試頻率對比

        圖8 最小揮舞方向位移仿真值與測試值對比

        圖10 最小擺振方向位移仿真值與測試值對比

        在最小揮舞方向上的加載位移與測試值偏差最大,偏差值為5.67%,仍符合GL2010規(guī)范關于位移偏差不超過7%的要求,說明該模型能真實反映葉片受載時的葉尖撓度。

        3.2 應變分析

        將在FOCUS中自定義的四個方向測試載荷工況,分別加載到葉片的梁單元模型上,四個加載工況下葉片應變云圖如圖11~16所示。

        圖11 最大揮舞方向PS面應變分布

        圖12 最大揮舞方向SS面應變分布

        圖13 最小揮舞方向PS面應變分布

        圖14 最小揮舞方向SS面應變分布

        圖15 最大擺振方向應變分布

        圖16 最小擺振方向應變分布

        靜力測試過程中,通過安裝應變片來監(jiān)測葉片關鍵部位應變值,不同測試工況、不同監(jiān)測位置處的測試應變及計算應變對比如表2、表3所示,計算應變與測試應變最大偏差為8.3%,符合GL2010規(guī)范中關于測試應變與計算應變不超過10%的偏差要求,說明采用FOCUS中梁單元模型進行應變分析,可較好的反映葉片實際受載時的應變情況,滿足設計要求。

        表2 主梁位置計算應變與測試應變對比

        表3 前緣、后緣位置計算應變與測試應變對比

        4 基于FOCUS的穩(wěn)定性分析

        葉片設計準則之一是要避免葉片的屈曲失穩(wěn),在葉片的揮舞、擺振任一方向彎曲載荷作用下,當葉片某一截面的應力達到某一水平,截面局部發(fā)生突變,剛度下降,導致葉片發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞,后緣粘接寬度直接影響后緣剛度,而后緣剛度不足也最易導致葉片最小擺振方向屈曲失穩(wěn),以下以最小擺振方向屈曲分析為例,研究粘接寬度對葉片穩(wěn)定性的影響。模型葉片后緣在21 m之后一直到葉尖,PS面和SS面殼體采用結構膠粘接的形式。這種粘接形式在FOCUS模型中等效為小腹板結構形式,距葉根21 m之后后緣粘接在FOCUS模型中等效形式如圖17所示。

        基于FOCUS的Finstrip模塊,進行橫截面屈曲分析,分析結果表明:在距葉根10~21 m的范圍內屈曲載荷系數(shù)不足規(guī)范要求的2.04,后緣發(fā)生失穩(wěn),統(tǒng)計距葉根2.8~46 m范圍內屈曲載荷系數(shù)如圖19所示。

        圖17 距葉根21 m后后緣粘接等效形式

        圖18 不同截面屈曲載荷系數(shù)分布

        10~21 m,PS面、SS面合模間隙過大,不適合采用直接粘接的形式,為解決后緣屈曲破壞情況,在該區(qū)域采用粘接座的形式來增加后緣在該區(qū)域的粘接寬度,增加后緣粘接座的等效模型如圖19所示。

        調整后的模型屈曲載荷系數(shù)明顯提高,如圖20所示,各截面屈曲載荷系數(shù)滿足GL2010規(guī)范設計要求。

        圖19 優(yōu)化后的后緣粘接等效模型

        5 結論

        基于FOCUS對某兆瓦級葉片建模,計算葉片重量與測試重量相比偏差2.88%,計算頻率與測試頻率最大偏差4.6%,計算位移與測試位移最大偏差5.67%,不同位置處的計算應變與測試應變最大偏差8.3%,均滿足GL2010規(guī)范中關于頻率、位移、應變偏差分別不超過5%、7%、10%的要求,表明模型構建合理,計算方法可靠。

        圖20 不同截面屈曲載荷系數(shù)分布

        在FOCUS穩(wěn)定性計算的基礎上,通過優(yōu)化后緣粘接,改善了葉片后緣剛度,使葉片的屈曲載荷系數(shù)達到了設計要求。

        [1] Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010:6-6.

        [2]潘利劍,袁健,彭超義,等.復合材料風電葉片結構截面剛度有限元分析[J].武漢理工大學學報,2009,31(21):129-132.

        [3]靳交通,梁鵬程,曾竟成,等.復合材料風電葉片結構截面剛度有限元分析[J].武漢理工大學學報,2009,31(21):133-136.

        [4]李成良,陳淳.風力機葉片的結構分析與鋪層設計[J].玻璃鋼/復合材料,2009(6):50-53.

        [5]Zhao Liang.An analysis on development of turbine for low wind speed[J].Wind Energy,2012(12):54-56.

        [6]閆文娟,韓新月.大型風電葉片的結構分析和測試[J].可再生能源,2014(32):1140-1143.

        [7]基于FOCUS的大型風力機葉片結構分析與鋪層改進[J].水電能源科學,2011(29):135-137.

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