风力机叶片气动载荷的优化研究.pdf

1 3 0 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 第 l 0期 2 0 1 4年 l 0月 风力机叶片气动载荷的优化研究 毕长飞 辽宁工程职业学院， 辽宁 丹东1 1 8 0 0 8 摘要 为了研究垂直轴风力机的叶片气动性能。 利用流固耦合法模拟了垂直轴风力机在实际工况下的气动载荷分析， 模拟结果表明， 由于翼型后部较薄， 受到的变形应力最大。为了避免因叶片变形而引起风力机整体气动性能下降， 提 出了 通过加 大翼型后部厚度的方案来提 高叶片的强度 ， 并通过数值模拟对改进后 的翼型做 了气动性能分析 ， 得 出了适 当的增 加翼型后部厚度， 并不会对翼型气动性能造成太大的影响， 验证了此方案的有效性。这些研究结论为今后垂直轴风力机 的设计制造提供了一定的参考依据。 关键词 垂直轴风力发电机； 叶片翼型； 气动载荷 边界条件； A NS Y S； 优化方案 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文奄编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 1 3 0 ～ 0 3 Re s e a r c h o n Op t i mi z a t i o n o f Ae r o d y n a mi c L o a d s o f W i n d T u r bi n e Bl a d e BI Cha n g - f e i L i a o n i n g G e o l o g i c a l E n g i n e e r i n g o f C a r e e r A c a d e m y ， L i a o n i n g D a n d o n g 1 1 8 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h d y n a m i c p e ff o anc e b l a d e o f v e r t i c a l a x i s w i n d t u r b i n e ，i t u s e s t h e flu i d s o l i d c o u p l i n g me t h o d t o s i m u l a t e t h e v e r t i c al a x i s w i n d t u r b i n e i u i n t h et u al c o n d i t i o n o f a e r o d y n a m i c l o ad a n a l y s i s 。S i m u l at i o n r e s u l t s h o w s t h at m ax d e f o r m a t i o n s t r e s s f o c u s t h i n b a c k ． I n o r d e r t o a v o i d b l ade d e f o r m at i o n i n c a u s i n g w i n d t u r b i n e s aer o d y n am i c p e r 厂 。 c e d e c l i n e ，i t p r o p o s e s t h i c k e n b l ade b a c k t o i m p r o v e t h e b l a d e s t r e n g t h ． A e r o d y n a mi c p e rf o r m anc e a n a y s i s i s c o n d u c t e d w i t h d at a s i mu l at i o n ，and r e s u l t s h o w s t h a t i n c r e a s i n g b l ade t h i c k d o e s n o t i n flu e n c e b l ade aer o d n a mi c p e 矿 0 r n a n c e ， p r o v i n g p r o g r am v al i d i t y ， w h i c h s e t s f o u n d ati o n f o r v e r t i c al a x i s w i n d t u r b i n e d e v e l o p me n t ． Ke y Wo r d s Th e Ve r tic a l Ax i s W i n d T ur b i n e ；L e a f Bl a d e Ai r f o i l ；Ae r o d y n a l n i c Lo a d i n g ；B o u n d a r y Co n d i tio n； ANS YS ； Th e Op t i mi z a t i o n S c h e me 1有限元国内外发展概况 有限元法是一种以变分里兹法为基础，主要应用于求解微 分方程的计算。 该方法以计算机为载体月 ， 主要研究思想是通过分 片近似、 进而达到整体逼近来计算相应的物理问题， 是以里兹加 分片近似为理论基础， 其过程大致可概括为如下内容 首先 ， 对求解域进行离散化， 把整个求解域离散为有限个仅 由网格节点连接却又互相独立的子域， 初始边界条件也被施加于 网格节点上。 其次， 采用分片近似的方法， 利用近似函数来逼近求 解未知 函数。 最后 ， 通过与原物理问题等效的变分法或加权残值理论 ， 来 建立相应的有限元求解模型， 从而得到一组以变量或其导数的节 点为未知量的数学方程， 借助计算机对这个方程组进行求解 ， 进而 得到该求解问题的近似解。随着计算机的高速发展， 在大量物理学 家和数学家的努力下， 有限元分析理论快速发展 ， 逐步被完善成为 具有坚实理论基础和完美计算能力的优异数值计算方法 ， 被广 泛应用于各类科研问题和实际工程中。 2 A N S Y S C F X简介 C F X是英国某公司为了解决实际工程问题而开发的一款 C F D软件，是世界上第一个通过 I S 0 9 0 0 1 质量认证体系的专业 C F D软件， 在解决实际工程问题的过程中有着很多辉煌的过去， 一 直引领者业界的发展方向。 C F X在 1 9 9 5年收购了旋转机械领域内 的加拿大某公司， 随后整和了两者资源， 重新开发推出了旋转机械 分析与设计模块 ， 模块一度占据着 8 0 ％以上旋转机械分析与设计 的市场份额。2 0 0 3 年， 全球最大的C A E仿真软件 A N S Y S收购了 C F X， C F X正式成为 A N S Y S大家庭 中的一员。 C F X本着互惠合作的精神，和许多T程公司和科研机构保 持着紧密联系，这种合作使得 C F X可以更加及时的了解工业企 业的需求， 紧跟市场变化， 同时也为 C F X提供了最新的物理模型 和先进的数值算法咖。 3流体流动方程的建立 采用流固耦合的方法来对垂直轴风力机风轮叶片进行气动 载荷分析， 将简要介绍一下流固耦合法的相关理论基础19 1 ， 为后文 来稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 4 作者简介 毕长飞， 1 9 7 8 一 ， 女， 辽宁丹东人， 工学硕士， 讲师， 主要研究方向 机械设计及液压与气压传动的教学及科研工作 第 l O期 毕长飞 风力机叶片气动载荷的优化研究 1 3 1 的研究做一定的铺 。在整个流一 同交界 S ， 范同内， 对各 S 上作 川的 ． 按节点组集合，就h J 得到流体作用在结构上的节点动压 力矢量 ∑ l／ ’ ∑一 { } 一 P 1 式 1 l f l 矩阵曰就足流体方程r } l 的 矩阵。显然， 位于 ．s ， 面 外的体尤节点动 力对 曰没有作川， 故 B是一个稀疏的长方阵。 将式 1 代入式 4 中 Ms ， i - K s 0 2 可得到 流体相接触结构的运动方程 ／ l r B ， 0 3 J 式巾禽有 P项， 这说I JJ 结构的运动方程具有流一 固耦合的 特性 。 AN S Y S 仿真软件l 1 】 流一 『 司 相 作用的有限元控制方程为 ． 1 M U K I F I 4 ．． r一 『 P 啊， U d f 其 叶 】 ， 式 c 与前武【 b a l ／ ,t 应 ， 式 d 与前式 a 相对应。 是一个耦合矩阵， 代表 流体一 结构交界面 F S I 上的节点 十 f { 联系的有效表面积。耦合矩阵 尺也 考虑进 了组成接触 而的每 一 对重合的流体和结构单元面的法线矢量方向。A N S Y S 软件使 川的法线矢量的- F 方向为由流体网格以外朝向结构的方向。 4风轮叶片气动载荷分析 4 ． 1叶片气动载荷分析 采J H 垂直轴风力机较为常见的N A C A O 0 1 5叶片翼型I I l 怍 为研究对象， 来模拟其住流场作用下的动力学特性． 风力机的旋 转半径为 6 0 0 ram， 支架血径为 3 0 m m， 转轴长度为 1 2 0 0 ra m， 直径 为6 0 ra m， 整个垂直轴风力机I1 r 轮的模型， 如图 1 所示。进口边界 条件为风速v l O m ／ s ， 旋转域内表面设置为旋转墙 w a l l 。 静止域的参 考 力为 l x l 0 -S P a ． 材料为A i r ， 气温为2 5 。 ， 旋转域的参考压力设置 为 I x l 0 2 P a ， 材料设置为A i r ， 气温 2 5 。 ． 旋转域转速为 8 0 r ／ m i n ， 旋转 轴设置为 Z轴， 动静交界而类型为流一 流交界， 交界面网格连接方 式为 G G I 。由图2町知旋转域内表面的最大压力为 2 ．4 6 1 e O 0 2 P a ， 最小乐力为一 1 ．6 7 3 e O 0 2 P a ，将此求解出的压力情况施加到J x L 轮叶 片 I ，对叶片进行气动载荷分析，求解H 片结构的气动载荷情 况， 为下一步的叶片结构优化提供试验数据。 叶片变形情况图， 如 3 所示 。 图 1风轮模型 F i g ． 1 Th e W i n d W h e e l Mo d e l 图 2旋转域 内表面压力同 F i g ．2 S u d h e e P r e s s t l r e Ro t a t i n g 1 o ma i n Gr a p h 罔 3叶片变形情况罔 } ’ i g ． 3 Di a g r a m o f t h e Bl a de De fi mn a t i 11 通过对计算结果分析可知，叶片的后缘部位受到的形变量最 大， F } l 翼型后缘向前， 随着叶片厚度增大， 叶片强度增加， 使叶片受 到的彤变逐渐减小。由I1 -r 片变彤图可知，叶片的最大变形量为 3 ．8 6 1 e - - 0 0 7 n ， 最小变形量为 3 _ 3 l 9 7 e - - 0 0 7 m。为了使整个风力发电 机组具有更稳定的一 T 作性能， 就必须要增强 叶片的强度 ， 加强其抗 变形 的能力 ， 延长整个风力发电机组具有更好的使用寿命。尽量 减小因叶片发生形变之后埘于整个风力发 电机组的影响。 4 ． 2优化解决方案 下面对翼型的后缘进行加厚， 从而增强叶片后缘的强度。 但 是叶片翼型后缘加厚之后， 整个叶片的外形将会发生改变， 着重 分析翼型在后缘厚度加厚对整个翼型气动性能有何影响。 通过加 大翼型尾部面元的方法来加厚翼型后缘的厚度。N A C A 0 0 1 5翼 型的尾部面元初始值为0 _ 3 ，我们分别从翼型弦长的8 0 ％处对其 加厚至0 ． 5 ． 0 ． 7 ， 并 导入到 X F 1 R 5程序中进行模拟计算。比较分 析不同后缘厚度翼型的气动参数曲线。不同尾缘厚度翼型比较 罔 ， 如同 4 所示 一 个不同后缘厚度翼 型在 1 ．5 x 1 0 5雷诺数下的 升力一 阻力系数曲线图； 升力系数曲线冈； 阻力系数曲线图； 升阻 比系数曲线图， 如 5 ～ 8所示。 通过比较上丽几组气动参数曲 线罔n 丁 以发现， i个不同后缘厚度翼型的气动参数曲线的重叠统 一 J 生比较好， 只足在负功角的状态下， 曲线有一段很小的分离， 但 随后又马上聚合到一起， 整个计算范围内， 翼型凶后缘厚度不同 而引起的气动参数曲线变化很小。 这表明适当的增加翼型后缘厚 度对于翼型气动性能的影响很小， 可以考虑通过适当增大翼型后 缘厚度的方法， 增强翼型的强度， 使其具有很好的抗变形能力。 网 4不同尾缘厚度翼型比较图 F i g 4 Co mp a r i s o n o f Di ff er e n t Th i c k n e s s o f F r a i l i i g Ed g e Ai r f o 1 3 2 机 械 设 计 与制造 No ． 1 0 0c t ． 2 01 4 图5升力一 阻力系数曲线 Fi g ． 5 Th e L i f tDr a g C o e f fic i e n t Cu r v e ／ l ， | | ／ 一 1 0 l I 1 0 2 ， ’7～ 圳 ／ n 图6 升力系数曲线 F i g ．6 T h e L i f t Co e ffi c i e n t Cu r v e { | | } t ⋯ ‘ -● ．． “ L ⋯． I I⋯ - l 1 V j ’ ‘； 0 2 图 7阻力 系数曲线 Fi g ． 7 Th e Dr a g Co e f fi c i e n t C u r v e Cl ／ Cd 。 、 ／ l { } 7 L D 一 0 、 d 10 2 、 ， n ， { i ＼} 二二 l l J l l 图 8 升阻比系数曲线 F i g ．8 Th e L i ft Dr a g Ra t i o Cu rve 5结束语 通过对垂直轴风力机进行了风轮叶片的气动载荷分析 ， 并 对实验结果进行了细致研究， 提出了相应的优化改进方案， 即对 这种新型的垂直轴风力机的风轮叶片进行了气动载荷分析， 得出 了翼型后部受到的载荷要比其他位置大， 变形量也较大。提出了 通过加厚翼型后部厚度的方法， 来增加风轮叶片的强度， 提高其 工作稳定性， 通过分析对比发现通过适度增大尾部面元厚度来加 厚翼型后部的方法， 对于翼型的气动特性影响很小， 验证了此种 方法的有效性。 参考文献 [ 1 ] 赵峰， 段巍．基于叶素一 动量理论及有限元方法的风力机叶片载荷分析 和强度计算[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 8 ． Z h a o F e n g ， Du a n We i ． L o a d i n g a n a l y s i s a n d s t r e n g t h c a c l u a t i o n o f w i n d t u r b i n e b l a d e b a s e d o n b l a d e e l e me n t mo me n t u m t h e o r y a n d fi nit e e l e m e n t m e t h o d [ J ] ． M a c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 8 ． [ 2 ] 李俊峰22 0 1 1 中国风电发展报告[ M] ．北京 中国环境科学出版社， 2 0 1 1 3 9 ． “ J u- f e n g ．2 0 1 1 C h i n e s e Wi n d P o w e r D e v e l o p me n t R e p o r t l M J ． B e ij i n g C h i n a E n v i r o n m e n t S c i e n c e P r e s s ， 2 0 1 1 3 _ 9 ． [ 3 ] 党沙沙， 许洋， 张红松，A N S Y S 1 2 多物理耦合场有限元分析[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 1 - 5 ． D ang S h a - s h a ， Xu Y ang ， Z h a n g H 0 n g s 0 n 昏 A N S Y S 1 2 F i n i t e E l e me n t A n al y s i s o f Mu l t i P h y s i c a l C o u p l i n g F i e l d [ M] ． B e i j i n g Ma c h i n e ry I n d u s t r yP r e s s ， 2 0 1 0 1 - 5 ． [ 4 ] 杨永谦， 肖金生． 实用有限元分析技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 01 0 2 0 2 1 ． Ya n g Y o n g - q i a n， X i a o J i n s h e n g ． T h e Ut i l i t y o f F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s 【 M J ． B e i j i n g Ma c h i n e r y I n d u s t ryP r e s s ， 2 0 1 0 2 0 - 2 1 ． [ 5 ] 宋志安 ， 李红艳 ． 机械结构有 限元分析 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 01 0 1 - 3 ． S o n g Z h i ． - a n ， L i H o n g y a n ． F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f Me c h a n i c a l S t r u c t u r e [ M] ． B e i j i n g N a t i o n al D e f e n c e I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 1 0 1 - 3 ． [ 6 ]t r i c k l and J H ． T h e d a r r i e u s t u r b in e a p e rf o r ma n c e p r e d i c t i o n u s i n g mu l t ipl e s t r e a m t u b e s ． S a n d i aL a b o r a t o rie sRe p o r t S AND7 5 - 0 43 1 ， 1 9 7 5 2 5 ． [ 7 ] 张义华， 李隆键．水平轴风力机空气动力学数值模拟[ D ] ． 重庆 重庆大 学 ， 2 0 0 7 4 1 3 ． Z h ang Y i h u a ， L i Lon g- j i a n ． N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f a e r o d y n a mi c p e rf o r m a n c e f o r h o r i z o n t al a x i s w i n d t u r b i n e [ D] ．C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 4 1 3 ． [ 8 ] 黄继雄． 风力机专用新翼型及其气动特性研究[ D ] ． 汕头 汕头大学 ， 2 0 01 31 3 3 ． Hu a n g J i - x i o n g ． R e s e a r c h o nt h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f w i n dt u r b i n e a i rf o i l s a n d g a s l DJ ． S h a n t o u S h ant o uU n i v e rsi t y ， 2 0 0 t 3 1 - 3 3 ． [ 9 ] 刘沛清． 空气螺旋桨理论及其应用[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版 社 ， 2 0 1 0 1 3 I - 1 3 3 ． P e i q i n g ．A i r P r o p e l l e r T h e o ry a n d I t s A p p l i c a t i o n [ M] ． B e ij n g B e i j n g U n i v e rsi t y p r e s s ， 2 0 1 0 1 3 1 - 1 3 3 ． [ 1 0 ] 叶枝全 ， 黄继雄 ， 曹人靖．风力机新系列翼型气动性能研究[ J ] ．太 阳能 学报 ， 2 0 0 2 3 3 ． 4 8 ． Y e Z h i - q u an， Hu a n g J i - x i o n g ， C a o Re n - j i n g ．S t u d y o f t h e p e rf o rm a n c e o f t h e n e w s e r i e s o f w i n d t u r b i n e a i rf o i l l J j ．J o u r n al o f S o l a r E n e r g y ， 2 0 0 2 3 3 4 8 ． [ 1 1 ] 焦华超 ， 孙 文磊． 大型风力发电机叶片在三维旋转状态下的气动特性 分析[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 1 2 6 ． J i a o H u a - c h a o ， S u n We n - c h a o ．C h a r a c t e ri s t i c a n a l y s i s o f r o t a t i n g i n 3 D a e r o d y n a m i c b l a d e f o r l ar g e w i n d t u r b i n e [ J ] ． M a c h i n e ryD e s i g n ＆M a n u f - a c t u r e ． 2 0 1 2 6 ．