风力机叶片气动设计与结构研究.pdf

风 力 机 叶 片 气 动 设 计 与 结 构 研 究 口杨俊 口武美萍 江南大学 机械工程学 院 口叶建友 口王云 江苏无 锡2 1 4 1 2 2 摘要 采用 Wi l s o n 模 型优 化设 计水平轴风 力机叶片的气动外形 利用有限元软件 对玻璃铜叶片在风力、 重力和 离心 力的耦 合作用下的静 力学、 稳定性 和动 力学进行仿真分析。通过 对叶片额 定风 况下的静力学和稳 定性分析 ， 不仅 能获取叶 片的应力和应变分布 ， 而且可检验 叶片设计 的安全性和合理性。通过叶片动力学分析 ， 计 算叶片的振动频 率， 判断能否避 免 共振 ． 实现正常运行。 关键词 风力机叶片气动设计稳定性分析动力学分析 中图分类号 T H1 2 2 T K 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 4 1 2 0 0 0 5 0 4 Ab s t r a c t W i l s o n mo d e l wa s a d o p t e d f o r o p t i mu m d e s i g n o f a e r o d y n a mi c s h a p e o f h o ri z o n t a l a x i s wi n d t u r h i n e b l a d e a n d t h e fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e wa s u s e d for s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f s t a t i c s ，s t a b i l i t y a n d d y n a mi c s o f t h e fi b e r g l a s s b l a d e s u n d e r t h e c o u p l i n g e f f e c t s o f wi n d p o we r ，g r a v i t y a n d c e n t r i f u g a l f o r c e ． B a s e d o n s t a t i c a n d s t a b i l i t y a n a l y s i s o f t h e b l a d e s u n d e r r a t e d w i n d c o n d i t i o n s ，n o t o n l y t h e s t r e s s a n d s t r a i n d i s t rib u t i o n s o n t h e b l a d e s c o u l d b e o b t a i n e d ，t h e s a f e t y a n d r a t i o n a l i t y i n t h e b l a d e de s i g n ma y b e p r o v e n t o o ． Thr o u g h d y na mi c a n a l y s i s o f t he b l a d e s a n d c a l c ul a t i o n o f t h e i r v i br a t i o n e qu e ne y i t i s a v a i l a b l e t o e s t i ma t e w h e t h e r s y mp a t h e t i c v i b r a t i o n c a n b e a v o i d e d t o a c h i e v e p r o p e r o p e r a t i o n ． Ke y W o r d s Bl a d e s o f W i n d Tu r b i n e Ae r o d y n a mi c De s i g n S t a b i l i t y An a l y s i s Dy n a mi c An a l y s i s 为 了满 足 不 断 增 长 的 能 源 需 求 ，符 合 日益 严 格 的 环 境 法 规 ． 世 界 各 国都 在 积 极 发 展 可 再 生 能 源 。 风 力 发 电作 为 一 种 可 再 生 的 绿 色 能 源 备 受 关 注 ，作 为 获 取 风 能 的 核 心 部 件 风 力 机 叶 片 的 气 动 设 计 尤 为 重 要 ， 而 复 杂 的 运 行 环 境 对 其 结 构 强 度 、 稳 定 性 和 动 态 响 应 提 出 了 很 高 的 要 求 。 叶 片 的 设 计 与 研 究 涉 及 空 气 动 力 学 、 结 构 力 学 、 材 料 力 学 、 复 合 材 料 学 等 多 门 学 科 ] ， 其 中 叶 片 的 气 动 设 计 质 量 直 接 决 定 风 力 发 电 的 功 率 。在 气 动 设 计 的基 础 上 ， 为 了 进 一 步 提 高 风 力 机 的 效 率 ， 叶 片 的 轻 量 化 设 计 尤 为 重 要 ， 因此 目前 风 力 机 叶 片 优 先 选 用 轻 质 复 合 材 料 如 玻 璃 钢 。 与 此 同 时 ， 复 合 材 料 的 应 用 也 使 叶 片 内 部 结 构 变 得 十 分 复 杂 ，从 而 增 加 了结 构 研 究 的 难 度 。 为 了方 便 设 计 与 研 究 ， 采 用 有 限 元 法 对 叶 片 进 行 仿 真 已 成 为 探 究 叶 片 结 构 性 能 的 重 要 手 段 ⋯ 。本 文 针 对1 ． 2 MW 的 风 力 机 叶 片 进 行 气 动 外 形 设 计 ， 同 时 基 于 有 限 元 法 进 行 结 构 研 究 ， 从 而 验 证 叶 片 结 构 设 计 的 安 全 性 与 合 理 性 。 1 叶片气动外形优化设计 叶 片 气 动 外 形 设 计 质 量 不 仅 影 响 风 电机 组 获 取 风 能 的效 率 ．而 且 还 会 影 响 风 电 机 组 整 体 及 零 部 件 的 结 构 性 能 和 寿 命 [ 2 3 ， 因 此 ， 叶 片 的 气 动 外 形 设 计 尤 为 重 要 。 目前 常 用 的 设 计 方 法 有 简 化 设 计 模 型 、 Gl a u e r t 设 }江苏省省产学研前瞻性联合研究项 目 编号 S B Y 2 0 1 3 2 0 2 9 3 收稿 日期 2 0 1 4年 7月 机械制造5 2 卷 第6 0 4 期 ； l 计 模 型 和 Wi l s o n设 计 模 型 [ 3 3 。 其 中 Wi l s o n设 计 模 型 不 仅 研 究 叶 尖 损 失 和 升 阻 比 对 风 轮 最 优 性 能 的 影 响 ， 而 且 考 虑 了 叶 片 在 非 设 计 工 况 下 的性 能 ，较 简 化 设 计 模 型 和 Gl a u e r t 设 计 模 型 更 为 先 进 E 3 3 。 本 文 选 取 Wi l s o n设 计 模 型 对1 ． 2 MW 风 力 机 叶 片 气 动 外 形 进 行 优 化 设 计 。 为 实 现 叶 片 获 取 最 优 风 能 利 用 效 率 的 目标 ，应 使 风 能 利 用 系 数 在 满 足 能 量 方 程 的 条 件 下 达 到 最 大 值 ， 即 d c p 鲁b 1 - a F A d r 1 a r c c o s e2 R s i n t 能 量 方 程 1 - a F b 1 b A r 2 2 式 中 为 风 能 利 用 系 数 ； A 为 叶 尖 速 比 ； a、 b为 诱 导 因 子 ； F为 叶 尖 损 失 系 数 ； A， 为 距 风 轮 轴 线 r处 的 速 度 比 ； Ⅳ 为 叶 片 数 目 ； 为 风 轮 半 径 ； 为 距 风 轮 轴 线 r 处 的 人 流 角 。 通 过 编 程 迭 代 计 算 出 诱 导 因 子 a和 b，然 后 根 据 式 3 、 4 求 出 弦 长 C和 扭 转 角 监 一 8 , n - s i n o一 3 r 1 一口 c o s D ⋯ 一 4 式 中 为 翼 型 升 力 系 数 ； O ／ 为 叶 素 剖 面 攻 角 。 2 0 1 4 ／ 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通 过 上 述 方 法 计 算 出 叶 片 气 动 外 形 弦 长 、扭 转 角 沿 展 向变 化 的数 值 ， 见 表 1 。 由 于 Wi l s o n设 计 模 型 以 获 取 最 优 风 能 利 用 效 率 为 目标 ．导 致 叶 片 各 截 面 过 渡 处 弦 长 和 扭 转 角 有 突 变 如 图 1和 图 2所 示 。 如 果 直 接 采 用 ， 则 不 光 滑 的 表 面 不 仅 会 造 成 实 际 加 工 难 度 的增 加 ，而 且 会 造 成 叶 片 整 体 结 构 性 能 的 下 降 。 由 于 叶根 附 近 对 风 机 功 率 影 响 很 小 ． 因 此 本 文 采 用 五 次 样 条 曲 线 对 叶 片 展 向 1 5 ％ ～ 表 l 叶片气动外形设计参数 r | R 弦长 ／ m 扭转角／ n r l R 弦长 ／ m 扭转角 1 O．05 2 ． 6 l 8 5 2 ． 4 91 0 ． 5 5 2 ． 2 8 3 6 ． 0 9 1 0． 1 O 4．48 2 3 3 ． 8 o o O ． 6 0 2 ．03 6 5 ． 0 6 0 0． 1 5 4．9 4l 2 7 ． 31 7 O ． 6 5 1 ． 8 1 9 4 ． 1 5 7 O ． 2 0 4 ． 7 5 6 2 2 ． 2 0 3 O ． 7 O 1 ． 6 2 6 3 ． 3 5 5 0_ 2 5 4． 3 3 2 1 8 ． 1 8 3 O ． 7 5 1 ．45 2 2 ． 6 2 8 0_ 3 O 3 ．9 63 1 5 ． 01 4 O ． 8 O 1 ． 2 9 2 1 ． 9 5 1 0 - 3 5 3 ． 2 8 0 1 2．4 7 6 0I 8 5 1 ． 1 3 9 1 ． 2 8 5 0．4 0 3 ． 1 2 4 1 0 ． 41 5 0 ． 9 O 0 ． 9 7 9 0 ． 5 7 3 0．45 2 ． 9 57 8 。 71 8 0 ． 9 5 0 ． 7 6 1 - 0 ． 3 4 0 O ． 5 O 2 ．47 2 7 ． 3 01 1 ． 0 0 0 ． 0 0 0 2 ． 4 0l 20 1 4／1 2 1 0 0 ％ 段 的 弦 长 和 扭 转 角 进 行 插 值 修 正 ， 修 正 后 的 弦 长 和扭 转 角 的 变 化 曲 线 如 图 3和 图 4所 示 。 插 值 修 正 后 的 弦 长 与 扭 转 角 的 变 化 曲 线 变 得 光 滑 连 续 ． 且 数 值 与 原 始 设 计 基 本 一 致 ． 保 证 了 叶 片 的 气 动 性 能 ， 降 低 了 叶 片 加 _丁难 度 ， 有 利 于 提 高 其 结 构 性 能 。 2叶片建模 在 气 动 外 形 设 计 的基 础 上 ， 本 文 选 用 玻 璃 钢 材 料 。 同 时 采 用 在 蒙 皮 中 间 加 设 主 梁 和 腹 板 的 空 心 结 构 来 实 现 轻 量 化 目标 ， 截 面 如 图 5所 示 。 叶 片 的 结 构 可 简 单 分 为 前 缘 、 后 缘 、 梁 帽 、 腹 板 等 不 同 区 域 ．不 同 的 叶 片 区 域 往 往 选 用 不 同 的 复 合 材 料 铺 层 方 案 ， 因 此 在 建 模 时 需 对 不 同 区 域 赋 予 各 自 的 材 料 参 数 。 ANS YS 软 件中 用 于 复 合 材 料 建 模 主 要 包 含 S HEL L9 9、 S H ELL 91、 SHELL1 8 l、 S HELL1 9 0、 S OLI D4 6 、 S OL I D1 8 6和 S oL 1 Dl 91等 7种 单 元 。根 据 所 设 计 风 机 叶 片 展 向 长 和 薄 壁 的 特 点 ] ， 选 择 壳 单 元 更 为 合 适 。在 此 基 础 上 结 合 上 面 4种 S HEL L单 元 的 特 点 进 行 分 析 ． 综 合 考 虑 选 取 线 性 层 状 单 元 S HE L L 9 9 6 ] 。初 步 设 计 的 风 机 叶 片 有 限 元 模 型 如 图 6所 示 。 机械制造 5 2 卷 第 6 0 4期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m