朱 杰

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

傳統(tǒng)方法在設(shè)計(jì)葉片時(shí)將其視作剛性，不考慮彈性變形對載荷及其性能的耦合影響[1]。隨著風(fēng)力機(jī)向大型化、輕量化發(fā)展，葉片柔性不斷增大，忽略氣動(dòng)彈性效應(yīng)將使其性能偏離原設(shè)計(jì)值，甚至產(chǎn)生破壞[2]。因此，研究氣動(dòng)彈性問題對大型葉片的設(shè)計(jì)具有重要意義。

許多學(xué)者已展開了相關(guān)研究工作[1-6]，但側(cè)重點(diǎn)大多偏向于氣動(dòng)性能分析，鮮有同時(shí)對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究的報(bào)道。本文提出一種基于動(dòng)量葉素理論與有限元法相結(jié)合的方法，對某1.5 MW葉片進(jìn)行考慮氣動(dòng)彈性效應(yīng)的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能研究。

1 葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能計(jì)算模型

1.1 葉片氣動(dòng)性能計(jì)算模型

采用動(dòng)量葉素理論計(jì)算載荷與葉片氣動(dòng)性能。作用在長度為dr的葉素上的氣動(dòng)力如圖1所示。各氣動(dòng)力表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：dL——升力；

dD——阻力；

dpN——推力；

dpT——切向力；

ρ——空氣密度；

W——入流相對速度；

c——弦長；

Cl——升力系數(shù)；

Cd——阻力系數(shù)；

φ——入流角，由槳距角θ、攻角α和變形扭角φ三部分組成。

風(fēng)能利用系數(shù)CP和年發(fā)電量AEP計(jì)算公式為：

(5)

(6)

式中：P——輸出功率；

v——來流風(fēng)速；

A——風(fēng)輪掃風(fēng)面積；

f(vi

1.2 葉片結(jié)構(gòu)性能計(jì)算模型

圖2為葉片典型剖面結(jié)構(gòu)形式，可分為主梁、腹板、前緣與后緣四部分。主梁主要由單向玻璃纖維層合板組成，腹板、前緣和后緣由玻璃纖維織物與夾芯材料構(gòu)成。

采用有限元法在ANSYS中建立葉片結(jié)構(gòu)性能計(jì)算模型，分別利用Shell99和Shell91殼體單元對主梁鋪層和其他部分夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，有限元模型如圖3所示。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

本文所研究的1.5 MW葉片長37 m，切入風(fēng)速為4 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，額定風(fēng)速為14 m/s，額定轉(zhuǎn)速為16 rpm，風(fēng)速分布模型采用平均風(fēng)速為6 m/s的Weibull概率分布。

氣動(dòng)彈性耦合計(jì)算過程如下：首先采用動(dòng)量葉素理論求得葉片在運(yùn)行工況內(nèi)各風(fēng)速下的初始?xì)鈩?dòng)載荷，將其施加于有限元模型上進(jìn)行葉片變形計(jì)算以獲得變形扭角；然后根據(jù)變形扭角更新入流角，重新計(jì)算氣動(dòng)載荷進(jìn)行新一輪迭代；如此循環(huán)直到葉尖變形滿足收斂條件停止計(jì)算。

圖4與圖5分別為考慮氣動(dòng)彈性前后不同風(fēng)速下的功率和風(fēng)能利用系數(shù)對比圖?？梢钥吹?，在運(yùn)行工況內(nèi)，氣動(dòng)彈性對兩者都存在一定的負(fù)面影響，即會(huì)降低功率和風(fēng)能利用系數(shù)。隨著風(fēng)速的增大，該負(fù)面影響呈現(xiàn)出先增大、后減小、再增大的趨勢。其中，在4 m/s～10 m/s較低風(fēng)速范圍內(nèi)，氣動(dòng)彈性對功率和風(fēng)能利用系數(shù)的影響較小，可不予考慮；當(dāng)風(fēng)速大于10 m/s后，由于葉片變形的增大導(dǎo)致氣動(dòng)彈性對功率和風(fēng)能利用系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，甚至無法使功率達(dá)到額定值。

考慮氣動(dòng)彈性前后的年發(fā)電量分別為3.439 Gwh/yr和3.377 Gwh/yr，兩者差別不大。這是因?yàn)楸疚乃芯康娜~片在較低風(fēng)速區(qū)域有較好的氣動(dòng)性能，尤其在6 m/s～9 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)能利用系數(shù)均超過0.4。盡管氣動(dòng)彈性對高風(fēng)速下的氣動(dòng)性能影響顯著，但對于全年平均風(fēng)速為6 m/s的風(fēng)場而言，高風(fēng)速下的概率密度很小，故而其對年發(fā)電量的影響也較小。

圖6與圖7分別為考慮氣動(dòng)彈性前后不同風(fēng)速下的最大葉尖位移與葉片最大等效應(yīng)變對比圖。由圖6可見，考慮氣動(dòng)彈性可減小最大葉尖位移，且隨著風(fēng)速的增大，減小量逐漸增大。由圖7可知，考慮氣動(dòng)彈性時(shí)，在4 m/s～7 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，葉片最大等效應(yīng)變有所減小；當(dāng)風(fēng)速超過7 m/s后，葉片最大等效應(yīng)變有所增加，且隨著風(fēng)速的增大，增量逐漸變大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于考慮氣動(dòng)彈性時(shí)，作用在葉片上的推力逐漸減小，而切向力則是在4 m/s～7 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)有所減小，隨后逐漸增大。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，葉尖最大位移主要取決于推力，最大減小量為50 mm，僅為對應(yīng)最大葉尖位移值的1.76%，表明氣動(dòng)彈性對葉尖位移影響較小；葉片最大等效應(yīng)變則更多取決于切向力，最大增量為150.4，是對應(yīng)最大等效應(yīng)變值的5.44%，表明氣動(dòng)彈性對等效應(yīng)變影響相對較大。

3 結(jié)語

通過對某1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行基于氣動(dòng)彈性的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能研究，可得如下結(jié)論：氣動(dòng)彈性對葉片氣動(dòng)性能有負(fù)面影響，隨著風(fēng)速的增大，該負(fù)面影響先增大、后減小、再增大；氣動(dòng)彈性對最大葉尖位移有較小的正面影響，對葉片最大等效應(yīng)變則更多地存在相對較大的負(fù)面影響；本文提出的方法可較為準(zhǔn)確的分析氣動(dòng)彈性對葉片氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)性能的影響，應(yīng)用該方法能對葉片設(shè)計(jì)進(jìn)行有效修正，并可為后續(xù)基于氣動(dòng)彈性的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。