大功率风力机叶片模态及气动特性分析.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 l 2期 流体机械 3 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 1 20 0 3 3 0 4 大功率风力机叶片模态及气动特性分析 周丹 攀枝花学院， 四川攀枝花6 1 7 0 0 0 摘要 对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程， 通过 翼型截面坐标变换和旋转拉伸在 U G中建立了国产某型 6 MW风力机叶片三维模型， 运用 A n s y s ／ B l o c k I a n c z o s 法计算了 叶片前 6阶固有模态。在 A n s y s ／ Wo r k b e n c h中搭建叶片流场仿真模型， 讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形 的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显， 随着风速和攻角增大 ， 相同截面位置上的叶片振动变形逐 渐增大 。 关键词 大功率风力机； 叶片； 模态； 有限元法； 气动特性 中图分类号 T H 4 3 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 0 7 Ana l y s i s o f M o da l a nd Ae r o d r na mi c of Hi g h- po we r W i n d Tur b i ne Bl a de P a n z h i h u a U n i v e r s i t y ， P a n z h i h u a 6 1 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s wo r k a t t e mp t s t o s t u d y t h e mo d a l a n d a e r o d y n a mi c o f a h i g h p o we r w i n d t u r b i n e b l a d e ． T h e mo t i o n d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n w i t h b e n d i n g a n d t wi s t i n g c o u p l i n g v i b r a t i o n o f t h e b l a d e a i r f o i l i s e s t a b l i s h e d， a 3 D mo d e l o f w i n d tur b i n e b l a d e i s p r e s e n t e d b a s e d o n t h e UG s o f t wa r e t h r o u g h c o o r d i n a t e t r a n s f o r ma t i o n， t h e fi r s t 6 n a t u r al mo d a l s of t h e b l a d e a r e o b t mn e d b a s e d o n t h e MS C ／ P a t r a n ． Th e fl o w fi e l d mo d e l o f b l a d e i s b u i l t b y u s i n g An s y s ／ Wo r k b e n c h， t h e e f f e c t s o f w i n d s p e e d a n d p n e u ma t i c a n g l e o f a t t a c k o n t h e b l a d e v i b r a t i o n a r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e v i b r a t i o n mo d e s i n t h e t i p o f t h e b l a d e a r e mo r e o b v i o u s ， a n d t h e g r e a t e r t h e wi n d s p e e d a n d a n g l e of a t t a c k ， t h e g r e a t e r the d e f o rm a t i o n of b l a d e v i b r a t i o n a t t h e s a me c r o s s s e c t i o n p o s i t i o n ． Ke y wo r d s h i g h p o we r w i n d t u r b i n e ；b l a d e；mo d al；f i n i t e e l e me n t me t h o d；a e r o d y n a mi c 1 前 言 现代风力发电机组 正在朝大型化方 向发展。 目前 ， 我国可并 网型风力机大多是 2 ． 5 3 MW 陆 上风力机 ， 对 于大功率 的 6～1 0 M W 的海 上风机 正在研究阶段。叶片作为风力机 的关键部件 ， 承 受着复杂载荷的作用 ， 气动载荷 的波动会 引起叶 片振动 ， 其动力学特性和可靠性的研究对风电机 组的安全运行具有十分重要的意义 。国内外 学者对中小型风力机叶片的动力学特性已经开展 了大量的研究。文献 [ 4～7 ] 主要研究 了风力机 叶片 的三维精 确建模 和气 动优 化 问题 ， 用 到 了 Wi l s o n优化 、 响应面和多 目标优化等方法 ， 从解析 收稿 日期 2 0 1 50 52 1 修稿 日期 2 0 1 50 72 7 基金项目 国家 自然科 学基金项 目 5 1 0 7 5 4 0 8 理论 的角度研究了叶片的气动性能。文献[ 8 ， 9 ] 将国产小型风力机叶片简化成一端 固定的悬臂梁 结构 ， 利用 A L G O R有限元程序来计算 叶片模态。 文献 [ 1 0 ] 对国产 2 ． 5 M W 风机 叶片进行流固耦合 分析 ， 研究 了气动攻角对 叶片振动 的影响。对于 大功率风机叶片其结构尺寸更大 ， 且海上工况环 境更加复杂 ， 本文通过建立某 型 国产 6 MW 大型 风力 机 叶片三维几何模 型， 采用 B l o c k l a n c z o s法 提取 其 固有模 态 ， 基 于 A n s y s ／ w o r k b e n c h研 究风 速和气动攻角等参数对叶片振动的影响。研究结 果可为大功率风机叶片的优化设计提供参考。 3 4 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 43， No． 1 2， 2 01 5 2 叶片翼型运动微分方程 以某翼型截面为例， 在建立叶片弯扭耦合动 力学模型时将截面简化成受到垂直弹簧和扭转弹 簧共同作用的二 自由度系统 ， 如图 1所示 ， 为它 们的距离， 截面振动质心平动位移为 y ， 叶片转轴 角度位移为 0 。 d F 季OT - U ] O T-U Q h O 3 1 一 鲁 。 一 3叶片建模及模态分析 风力机叶片是一个非常复杂 的三维模型 ， 其 外形是由一系列翼型曲线构成的曲面， 并且 每个 截面相对于轴心有一定的旋转角度 。通常叶片主 要由蒙皮、 梁帽和腹板等采用三明治结构组成。 本文所研究 的 6 MW 叶片总长 6 8 ． 7 m， 最大弦长 4 ． 8 m， 由7种不 同的翼型构 成， 最大弦长处 的翼 型为 D U 2 5 A1 7 。叶片各截面翼型主要参数如表 1 所示。采用空心叶片模拟真实风力机叶片， 叶片 材料为航空复合 材料 T 3 0 0 ／ 1 0 3 4一C， 密度为1 ． 8 k g ／ m ， 力 学 性 能参 数 为 E 1 4 6 ． 9 G P a ， E 1 1 ． 3 8 G P a ， E 1 2 ． 3 8 G P a ， L y 0 ． 3 ， 0 ． 4 2 ， G x y G 6 ． 1 8 5 G P a ， G 5 ． 7 8 G P a ， 各铺 层厚度均为3 m m， 具体铺层方案可见文献[ 1 1 ] 。 表 1 6 MW 叶片主要参数 截面位置 弦长 m 扭角 。 翼型 o ． 0 6 8 3 ． 8 6 3 1 3 ． 3 0 8 C y l i n d e r O．1 35 4． 3 4 O 1 3． 3 08 DU40A1 7 0． 406 4． 1 0 5 8． 2 8 7 DY2 5a 1 7 0． 9 43 2． 0 23 0． 31 1 NACA63 A1 7 利用 U G软件建立 叶片几何模 型， 将表 1中 的翼型数据经过坐标变换得到叶片截面离散点坐 标 ， 通 过 曲 线 拟 合 得 到 翼 型 截 面 曲 线 ， N A ． C A 6 3 A 1 7翼型截面如 图 2所示。再 由各个 曲线 旋转拉伸得到叶片三维几何模型， 如图3 所示。 y 图2 N A C A 6 3 A1 7翼型截面 图3 叶片三维模型 3 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 3， No ． 1 2， 2 01 5 图 7为不同叶片截面在不同来流风速下的振 动位移 ， 图 8为各截面在不 同攻角下 的振动位移 。 从 图7可以看出在叶片截面小于 0 ． 5处叶片在不 同风速下变化不大 ， 当叶片截面位置大于0 ． 5 时叶 片振动位移从叶片中部到叶尖部呈明显非线性增 加趋势 ， 且风速越大， 叶片振 动变形越大。从图 8 可以看 出， 在气动攻角下叶片截 面小于 0 ． 6的部 位从叶根到叶片中部附近接近线性增加趋势， 当 叶片截面位置大于 0 ． 6时， 呈非线性增加趋势 ， 且 越靠近叶尖部振动变形越大， 且攻角越大， 叶片振 动位移越大。 一 g 一 潍 蜷 5 ． O 0 ． 0 0． 0 0． 5 1 ． 0 截面位置 图 7 不同风速位移下叶片各截面振动位移。 一 吕 一 帽 蟮 5结语 5 ． O 0 ． 2 O ． 6 1 ． O 截 面位 置 图8 不同攻角下各截面振动位移 建立 了叶片弯扭耦 合运动微分 方程 ， 在 U G 中建立 了某型 6 MW 风力机 叶片三维模 型， 利用 有限元法求解了其固有模态 ， 研究了风速 、 气动攻 角等参数对叶片振动的影响。叶片的振型主要是 挥舞振动 ， 且随着叶片固有频率的增加 ， 挥舞振型 更加复杂 ； 从叶根部到叶尖叶片振型更加明显 ， 叶 片振动应变能主要集中在叶尖部位。越靠近叶尖 叶片振动变形越大 ， 且风速和攻角越大 ， 叶片振动 变形越大 。研究结果可为大功率风机叶片的国产 化设计提供参考。 参考文献 [ 1 ] 胡燕平， 戴巨川 ， 刘德顺． 大型风力机叶片研究现状 与发展趋势[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 3 ， 4 9 2 0 1 4 0 1 5 1 ． [ 2 ] 胡效东 ， 田强， 戚振， 等． 基于滑移网格的反应釜 内 部流体力学特性研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 3 ， 3 0 7 30- 38， 55． [ 3 ] 铁庚， 祁文军． 水平轴风力机叶片翼型的气动特性 数值模拟[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 3 2 9 3 3 ． [ 4 ] 张明辉， 万全喜， 吴家龙． 基于 Ma t l a b与 S o l i d w o r k s 方法的风力机叶片优化设计[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2， 4 0 1 1 4 1 - 4 5 ． [ 5 ] 黄靓 ， 李景银 ， 高远． 基于响应面法 的风力机翼型 气动优 化设计 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 1 - 2 4． [ 6 ] 王珑， 王同光 ， 吴江海 ， 等． 基于改进 N S G A I I 算法 的风力机叶片多 目标优化设计[ J ] ． 南京航空航天 大学学报， 2 0 1 1 ， 4 3 5 6 7 2 - 6 7 6 ． [ 7 ] C H E N J ， WA N G Q， S H E N W Z ， e t a 1 ． S t r u c t u r a l o p t i m i z a t i 0 n s t u d y o f c o m p o s i t e w i n d t u r b i n e b l a d e 『 J ] ． Ma t e r i a l s De s i g n， 2 0 1 2， 4 62 4 7 - 2 5 5 ． [ 8 ] 陈顺章， 李录平， 晋风华， 等． 风力机桨叶的三维建 模与动力学特性有 限元计 算 [ J ] ． 可再生 能源， 2 0 1 0， 2 8 3 2 9 - 3 4 ． [ 9 ] 包能胜， 曹人诤 ， 叶枝全． 风力机桨叶结构振动特 性有限元分析[ J ] ． 太阳能学报， 2 0 0 0， 2 1 1 7 7 81． [ 1 0 ]李媛， 康顺 ， 王建录， 等． 2 ． 5 MW 风力机叶片流固耦 合数值模拟[ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 1 3 ， 3 4 1 7 1 7 4． [ 1 1 ]赵旭， 王祥云， 薛榕融， 等． 风力机复合材料叶片静 强度分析与铺层设计 [ J ] ． 西北 工业大学 学报， 2 0 1 2 。 3 0 6 8 2 5 8 2 9 ． 作者简介 周丹 1 9 7 6一 ， 女 ， 硕士研究生 ， 副教授 ， 研 究方 向 为机 械设 计优 化 及理 论 ， C A D ／ C AM等 方 面的 研究 ， 通讯 地 址 6 1 7 0 0 0四川攀枝花市东区炳草 岗街道机场路 1 0号攀枝 花学院机 械工程学 院。 一 一