風力發(fā)電機葉片建模及有限元分析

王　昊, 范海哲, 李帥斌

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上?！?00090)

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風力發(fā)電機葉片建模及有限元分析

王昊, 范海哲, 李帥斌

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海200090)

選取小型風力發(fā)電機葉片為研究對象,根據翼型參數和葉片幾何參數,利用相應的建模軟件,生成三維模型.然后將其導入有限元分析軟件ANSYS中,建立有限元模型.通過施加風力載荷,對葉片的多種應力及位移進行了分析,并與其材料拉伸強度和安全位移進行了比較,實驗結果驗證了葉片有限元建模的有效性及葉片在實際工作中的安全性.

風力發(fā)電機葉片; 三維建模; 有限元分析; 應力分析

風能作為一種潔凈、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,也是一種最具競爭力的規(guī)模能源[1].風力機葉片作為攝取風能的關鍵部件,是風電機組的核心部件之一,占整個風機成本的20%左右.葉片的設計質量對風電機組整體及其零部件的性能和壽命具有直接影響.隨著風力發(fā)電的發(fā)展,風力機逐漸大型化,人們勢必尋求葉片的大型化、輕質化和長壽命[2].這就使得葉片的外形、結構設計和分析顯得尤為重要.葉片作為典型的氣動力元件,在旋轉過程中不但承受機械振動而且還要承受氣動力,因此在風力機設計和使用中對葉片的強度、剛度和使用壽命等性能的分析十分重要,利用工程軟件對其進行建模和有限元分析是研究風機葉片的一種有效手段.

閆海津等人研究了基于UG和GAMBIT的風力機葉片的三維建模,提出了葉片三維建模的準則,并能較準確地進行三維建模[3].陳海萍等人對750 kW水平軸風力機葉片在風力、重力和離心力的作用下的動力特性進行了仿真分析[4].趙娜等人以1 MW水平軸風力機葉片為例,利用ANSYS的APDL參數化語言實現(xiàn)了葉片的模態(tài)分析及穩(wěn)定性分析[5].王應軍等人以一農用風力機葉片為例,應用有限元方法對葉片進行了合理簡化,建立了葉片的振動方程,并分別計算了實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力機葉片強度特點的分析,提出了一種梁單元與實體單元相結合的高效率的有限元建模方法,并對葉片強度進行了有限元法分析[7].

但目前對風力發(fā)電機葉片的應力分析還很少,而葉片的應力分析對于葉片的強度研究非常重要.因此,本文主要是在對風力發(fā)電機葉片進行三維建模的基礎上,采用有限元的方法對葉片進行應力分析,以期為風力機的葉片設計提供參考.

1　風力發(fā)電機葉片模型的結構參數

國內外多數風力機氣動風速的范圍在2～6 m/s,這一范圍能夠滿足風能豐富區(qū)域、較豐富區(qū)域的不同要求.因此,本文選擇每年平均風速為4.2 m/s.葉片設計思路如下:

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

(2) 采用Wilson設計方法計算得到各葉素面對應的弦長l和扭轉角θ.

葉片幾何參數分布如表1所示[7].

表1　葉片幾何參數分布

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.該翼型結構比較簡單,其最小相對厚度為零,最大彎度相對位置也為零,最大相對厚度為12%.

2　風力發(fā)電機葉片的三維建模

2.1葉片建模公式

葉片選取NACA0012翼型,其翼型數據在文中略去.將NACA0012翼型數據(x0,y0)變換為以氣動中心為原點的坐標(x1,y1).

考慮葉片長度,結合弦長和扭角(見表1),計算其實際坐標,從而得到葉片上各葉素的坐標值,其計算公式為:

(1)

2.2利用solidworks進行三維建模

在獲取各葉素的三維坐標后,執(zhí)行solidworks中曲線造型菜單,通過XYZ點生成曲線的命令,并輸入得到葉素坐標.輸入時可直接讀取txt文件,繪制出一個葉素輪廓線,如圖1所示.參照以上步驟,分別導入每一個葉素輪廓線的坐標,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,將每一個葉素面填充為實心平面.最后使用放樣命令,將各個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格劃分

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

(2) 定義材料參數本文采用的材料是玻璃鋼,其材料參數如表2所示.

表2　玻璃鋼材料參數

(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實體單元.

(4) 劃分網格實現(xiàn)自適應網格劃分,不需要進行網格的無關性驗證,劃分網格后的模型如圖3所示.

圖3　風力機葉片的有限元模型

3.2施加載荷

在工作時,葉片受到重力、離心力和氣動力的影響.由于重力和離心力很小,故在分析時忽略不計,所受的風力載荷可分解為垂直于風輪平面的法向力和作用于風輪平面內的切向力.由于葉片截面為扁平狀,切向力產生的彎矩對葉片的彎曲和強度影響很小,也可以忽略不計.因此,為了簡單起見,風力機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——正常風速,取4.7 m/s.

3.3計算結果分析

3.3.1Mises應力求解

通過模擬得到葉片在風載作用下的應力分布.圖4為葉片的Mises應力分布圖.由圖4可知,葉片中部附近出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,表明葉片中部是在工作時最容易損壞的地方,其次是葉片的根部.最大應力發(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度325 MPa.

圖4　葉片的Mises應力分布

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.

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彈性應力求解

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

圖7　葉片彈性應力分布

3.3.4機械應力與熱應力綜合求解

圖8為機械應力與熱應力綜合分布圖.由圖8可知,葉片在轉動過程中,會受到熱應力的作用,熱應力對其影響較小,綜合應力起主要作用.

圖8　機械應力與熱應力綜合分布

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

4　結　論

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

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

(3) 通過彈性應力的求解可知,其應力集中點發(fā)生在葉片中心,與綜合應力相對應;

(4)通過求解其熱應力可知,在葉片工作時熱應力不起主要作用.

[1]MANWELL J F,MCGOWAN J G,ROGERS A L,etal.Wind energy explained theory,design and application[M].2nd Edition.Hoboken:John Wiley & Sons Ltd,2009:1-3.

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

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

[4]陳海萍,孫文磊.風力發(fā)電機葉片的動力特性分析[J].機床與液壓,2010,38(23):101-102.

[5]趙娜,李軍向,李成良.基于ANSYS建模的風力機葉片模態(tài)分析及穩(wěn)定性分析[J].玻璃鋼/復合材料,2010(10):14-17.

[6]王應軍,裴鵬宇.風力發(fā)電機葉片固有振動特性的有限元分析[J].華中科技大學學報,2006,23(2):44-46.

[7]宗楠楠,董湘懷.小型風力機葉片強度的有限元分析[J].太陽能學報,2010,31(6):764-768.

[8]張洪信,管殿柱.有限元基礎理論與ANSYS 11.0應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:94-133.

(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

簡介：王昊(1972-),男,博士,副教授,安徽泗縣人.主要研究方向為風力發(fā)電技術,機械系統(tǒng)振動噪聲控制等.E-mail:whouco@gmail.com.

TK83

A

1006-4729(2016)03-0257-04