風(fēng)力機(jī)葉片靜力測試與分析

李海波

（中國水利電力物資華南公司，廣東廣州 510060）

隨著能源的日益緊缺，風(fēng)力發(fā)電得到大力發(fā)展，葉片作為風(fēng)力機(jī)的重要組成部分，其動力特性得到廣泛研究[1-5]。本文通過采用單點(diǎn)加集中載荷的方法，來對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行靜力學(xué)特性研究，應(yīng)用東華DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)和應(yīng)變片測量加載時的應(yīng)變，通過改變加載力的大小和加載位置進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，計算各個截面的彎矩；應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行靜力計算分析。實(shí)驗(yàn)和有限元計算對比可得：越靠近葉根部位所受負(fù)荷越大，加載位置和力的大小對其有影響。這對風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計和制造提供了參考依據(jù)，對提高風(fēng)力機(jī)的總體性能和優(yōu)化設(shè)計具有重要意義[6-7]。

1 有限元計算

1.1 風(fēng)力機(jī)葉片建模

以風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)臺葉片為例，利用幾何變換理論，并結(jié)合弦長和扭轉(zhuǎn)角求出截面上各點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)保存為*.txt文件，將各個截面的所有點(diǎn)的坐標(biāo)以保存好的*.txt格式導(dǎo)入到solidworks中，一次獲得各個點(diǎn)的坐標(biāo)，獲得這個截面的外形輪廓。依次拾取葉片各截面，創(chuàng)建處葉片實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 葉片實(shí)體模型Fig.1 Model of a wind turbine blade

1.2 理論計算

該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)葉片是由玻璃鋼材料制造，玻璃鋼復(fù)合材料的力學(xué)特性是各向異性的，本文采用ANSYS有限元軟件對葉片進(jìn)行靜力分析[8-9]，選用SOLID45單元對葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一共劃分47607個單元，10512個節(jié)點(diǎn)。該研究是在全部劃分好網(wǎng)格的葉片根部加全約束，在節(jié)點(diǎn)6061處對葉片進(jìn)行單點(diǎn)加集中載荷，載荷的大小分別為961.6 N、1923.2 N、2884.8 N、3846.4 N、4808 N，載荷為961.6N時應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖2和圖3所示，不同載荷作用下風(fēng)力機(jī)葉片最大應(yīng)變和最大應(yīng)力變化趨勢如圖4和圖5所示。

圖2 載荷為961.6 N葉片應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram by the load 961.6 N

圖3 載荷為961.6 N葉片應(yīng)變云圖Fig.3 Strain nephogram by the load 961.6 N

圖4 不同載荷下葉片應(yīng)變云圖中最大應(yīng)變Fig.4 The maximum strain in the strain nephogram of the blade under different loads

圖5 不同載荷下葉片應(yīng)力云圖中最大應(yīng)力Fig.5 The maximum stress in the stress nephogram of the blade under different loads

從有限元計算得出的應(yīng)力和應(yīng)變云圖可知，在給葉片加載的時候，從葉片到葉根部位應(yīng)變是逐漸增大的，在葉根部位的應(yīng)變最大；隨著加載載荷的增大，葉片在載荷作用下的應(yīng)變大小也相應(yīng)增大。葉根區(qū)域顏色最深，其應(yīng)力最大，可見葉根是風(fēng)力機(jī)葉片主要承力部件。

2 靜載荷作用下風(fēng)力機(jī)葉片機(jī)械動力學(xué)特性測試實(shí)驗(yàn)

2.1 風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)備組成及介紹

風(fēng)力機(jī)葉片動力特性實(shí)驗(yàn)臺是一套以東華動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、東華模態(tài)分析軟件和東華靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)為軟件平臺和以液壓加載裝置、風(fēng)力機(jī)葉片、控制臺等為機(jī)械部分的風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)臺。液壓加載裝置通過調(diào)節(jié)液壓驅(qū)動組件，來調(diào)節(jié)對葉片的牽引力，以完成對待測葉片的加載靜態(tài)測試。液壓驅(qū)動組件通過牽引繩、夾具實(shí)施牽引，可以通過調(diào)整牽引支架的位置來調(diào)整風(fēng)力機(jī)葉片加載的位置。牽引力的大小可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)出口油壓的大小來進(jìn)行調(diào)整，油壓的大小通過手動調(diào)節(jié)油進(jìn)出口閥門來實(shí)現(xiàn)[10-11]。風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

2.2 測試截面和測點(diǎn)的選擇

在實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上，在風(fēng)力機(jī)葉片上從葉根到葉頂依次選取6個測試截面，考慮到葉根部位承載比葉頂部位大，因此在靠近葉根部位選取的測試截面多一些，每個截面上選取3個測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)布置2個應(yīng)變片，呈T型布置，如圖7所示。

圖7 測試截面和測點(diǎn)位置選取Fig.7 The test section and point location selection

導(dǎo)線連接應(yīng)變片和靜態(tài)信號采集箱，用1/4橋路接線，每個測試截面還應(yīng)有一個應(yīng)變片做補(bǔ)償用，一共42個應(yīng)變片，采用東華DH3816靜態(tài)信號分析軟件進(jìn)行靜態(tài)測試分析。

3 風(fēng)力機(jī)槳葉靜載荷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 不同加載力對比分析

對于實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，由于葉片是懸空布置成懸臂梁式樣，因而采集的應(yīng)變?nèi)秦?fù)的，考慮到風(fēng)力機(jī)葉片加載位置前后應(yīng)變的變化，和主要對風(fēng)力機(jī)葉片靠近葉根部位的研究分析，因此只對加載位置到葉根部位之間的測試截面和相關(guān)的測點(diǎn)進(jìn)行比較分析。相同的加載位置而加載力不同時測試截面應(yīng)變變化如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9的曲線以及數(shù)據(jù)顯示可知，在同一個位置改變加載力的大小加載時，每個截面的應(yīng)變都會增大，而且在葉片的葉根部位變化最明顯，在葉根部位的應(yīng)變也是最大的。

3.2 加載位置不同對比分析

對于相同的測試截面，當(dāng)加載力相同而加載位置不同時，相應(yīng)的測得應(yīng)變也有一個變化趨勢，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出圖形如圖10和圖11所示。

圖8 加載位置距葉根2 m處加載時應(yīng)變圖Fig.8 The strain diagram under the load from the blade root 2 meters

圖9 加載位置距葉根2.5 m處加載時應(yīng)變圖Fig.9 The strain diagram under the load from the blade root 2.5 meters

圖10 不同位置加載時截面6應(yīng)變Fig.10 The strain of the section 6 under different position load

圖11 不同位置加載時截面5應(yīng)變圖Fig.11 The strain of the section 5 under different position load

從圖11和圖12曲線數(shù)據(jù)顯示，加載相同的載荷而加載位置不同時，每個截面的應(yīng)變也會不同，加載位置越靠近葉根則應(yīng)變越小，應(yīng)變變化也越?。幻看渭虞d時仍是在葉根部位的應(yīng)變最大。

3.3 加載力不同彎矩對比分析

本次采用分組實(shí)驗(yàn)的方法，通過改變力的大小五次和改變加載位置三次進(jìn)行十五組實(shí)驗(yàn)，因而對計算出來的彎矩也可以分兩組進(jìn)行比較，同一加載位置改變加載力大小加載時的彎矩變化圖如圖12和圖13所示。

圖12 加載位置距葉根2 m截面彎矩圖Fig.12 Section bending moment diagram under the loading from the blade root 2 m

圖13 加載位置距葉根2.5 m截面彎矩圖Fig.13 Section bending moment diagram under the loading from the blade root 2.5 m

從圖12和圖15顯示的數(shù)據(jù)的曲線得，隨著加載力的增大，每個截面的彎矩也隨著增大，而且是在葉根部位最大變化最明顯。

3.4 加載位置不同彎矩對比分析

對于同一個測試截面，當(dāng)加載相同的載荷作用，而加載位置不同時，其彎矩也會有所不同，得出的變化趨勢圖形如下圖14和圖15所示。

從圖14和圖15中曲線的數(shù)據(jù)可知，加載位置的變化對葉片的受力是有很大的影響的，加載位置離葉根越遠(yuǎn)，則彎矩的變化越大，彎矩值也越大，在葉根部位的彎矩值最大。

圖14 不同位置加載時截面6彎矩圖示Fig.14 The section 6 bending moment diagram under different position load

圖15 不同位置加載時截面5彎矩圖示Fig.15 The section 5 bending moment diagram under different position load

4 結(jié)語

通過對風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)臺葉片，進(jìn)行有限元計算，和靜載實(shí)驗(yàn)對風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。本文應(yīng)用solidworks對風(fēng)力機(jī)葉片動力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)臺葉片進(jìn)行了三維實(shí)體建模，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對葉片進(jìn)行單點(diǎn)加集中載荷的靜力分析；改變加載力大小和加載位置對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行分組加載試驗(yàn)，分別測量選定截面的應(yīng)變和計算彎矩，并進(jìn)行比較分析。

通過研究和計算發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力機(jī)葉片在載荷作用下的時候，其葉根部位產(chǎn)生的應(yīng)變和承受的彎矩最大，而且其大小隨著載荷大小和載荷作用的位置變化而變化。風(fēng)力機(jī)葉片的葉根部位是承受作用力最大的位置，因而在設(shè)計和制造風(fēng)力機(jī)葉片時，應(yīng)該對葉根部位及其附近區(qū)域進(jìn)行加固處理，或者采用特殊技術(shù)處理，或采用新材料如碳纖維復(fù)合材料等，來加強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度。這對風(fēng)力機(jī)葉片的制造和設(shè)計提供了參考依據(jù)，對于提高風(fēng)力機(jī)的總體性能和降低風(fēng)力發(fā)電成本具有重要意義。

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