小型風(fēng)力機(jī)葉片的流場(chǎng)仿真和應(yīng)變實(shí)驗(yàn)研究

侯 西，張錦光，胡業(yè)發(fā)

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

風(fēng)能作為清潔的可再生能源，其開(kāi)發(fā)潛力已被世界各國(guó)所認(rèn)可。葉片是風(fēng)力機(jī)組捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中承受離心力、流體動(dòng)力振動(dòng)、溫差（熱應(yīng)力）、介質(zhì)等的綜合作用［1－2］，裂紋在惡劣的環(huán)境下頻繁地產(chǎn)生，對(duì)風(fēng)力機(jī)組安全運(yùn)行構(gòu)成很大威脅，也給企業(yè)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是完全必要的。

作為新型的傳感器，光纖光柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，精度高，可以組成傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式測(cè)量，且具有靈敏度高、絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，滿足葉片運(yùn)行時(shí)復(fù)雜環(huán)境下的傳感應(yīng)用要求［3－4］。由于光纖光柵直接測(cè)量的物理量是溫度和應(yīng)變，因此筆者分析了空氣載荷下葉片的應(yīng)變分布，將有限元計(jì)算和光纖光柵實(shí)驗(yàn)測(cè)量的應(yīng)變值進(jìn)行了對(duì)比。

1 葉片CFD流場(chǎng)仿真分析

1.1 葉片的幾何建模

利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)葉片進(jìn)行掃描，然后導(dǎo)入3D繪圖軟件Pro/E進(jìn)行建模，完成的模型如圖1所示［5］。將葉片以風(fēng)輪軸為中心陣列，設(shè)置數(shù)量為3個(gè)，角度為120°，便完成了3個(gè)葉片實(shí)體的建模。

圖1 Pro/E中葉片的模型

1.2 葉片網(wǎng)格劃分和邊界條件

將葉片模型在Pro/E環(huán)境中保存為.step格式的文件，導(dǎo)入到GAMBIT前處理器中，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。葉片的直徑d=1.2 m，設(shè)置流體的圓柱體計(jì)算區(qū)域直徑為2 m，長(zhǎng)度為12 m，左邊為速度入口，到風(fēng)輪圓盤的距離為4 m，右邊為壓力出口，到風(fēng)輪圓盤的距離為8 m。葉片的網(wǎng)格劃分為四面體，流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分為六面體，如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格圖

1.3 仿真結(jié)果分析

圖3 葉片迎風(fēng)面靜壓分布云圖

圖4 葉片背風(fēng)面靜壓分布云圖

圖3和圖4分別為葉片迎風(fēng)面和背風(fēng)面的靜壓分布云圖，當(dāng)葉片在12 m/s風(fēng)速的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中以額定轉(zhuǎn)速400 r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片迎風(fēng)面的壓強(qiáng)為正，背風(fēng)面壓強(qiáng)為負(fù)，氣流壓強(qiáng)不平均地分布在表面。在葉片的迎風(fēng)面，葉尖靠近前緣的區(qū)域壓強(qiáng)值最高，變化范圍為288～334 Pa，葉片中間和根部壓強(qiáng)較低，變化范圍為100～241 Pa；在葉片的背風(fēng)面，葉尖靠近前緣的區(qū)域壓強(qiáng)值最低，變化范圍為－602～－228 Pa，葉片中間和根部壓強(qiáng)較高，變化范圍為－181～－31.4 Pa。旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片上下表面的最大壓力差為936 Pa，位于葉尖。當(dāng)半徑減小時(shí)，葉片的線速度減小，與氣流的相對(duì)速度減小，壓力差也隨之減小。當(dāng)葉片在額定工況下運(yùn)行時(shí)，葉片表面的靜壓主要分布在0.2倍半徑到葉片尖端，此段區(qū)域的葉片吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

2 葉片空氣載荷計(jì)算

作用在風(fēng)輪上的風(fēng)力是風(fēng)力機(jī)的主要?jiǎng)恿υ矗彩侨~片所承受載荷的主要來(lái)源，根據(jù)流體仿真的結(jié)果可知，葉片表面的靜壓主要分布在0.2倍半徑到葉尖，即葉片的氣動(dòng)載荷主要分布在該區(qū)域。

［6］，根據(jù)葛勞渥旋渦理論和葉素動(dòng)量定理，葉片長(zhǎng)度方向上的升力元和阻力元為:

升力和阻力可分解為作用在葉片上沿風(fēng)向的推力和沿葉片旋轉(zhuǎn)方向的周力，分別為:

其中:W為葉片線速度與來(lái)流風(fēng)的相對(duì)合速度；N為葉片數(shù)；r為葉尖半徑；c為弦長(zhǎng)；φ為葉片相對(duì)合速度與旋轉(zhuǎn)面之間的夾角；CL為翼型的升力系數(shù)；CD為翼型的阻力系數(shù)，可由翼型的氣動(dòng)力特性曲線查出。

選取葉片的葉尖速比λ=6，參考式（1）～式（4），計(jì)算葉片不同半徑位置處（0.3r、0.5r、0.7r、0.9r）的推力和周力，各段葉素長(zhǎng)度為0.2r，折算成加載在葉尖的等效推力和周力如表1所示。隨著風(fēng)速的增大，葉片的推力和周力近似線性增大。由于推力是葉片產(chǎn)生應(yīng)變的主要載荷形式，因此選取推力為葉片的載荷加載在葉尖［7－8］。

表1 不同風(fēng)速下加載在葉尖的等效推力和周力

3 葉片應(yīng)變實(shí)驗(yàn)方案

采用分布式測(cè)量的方法，在葉片上表面的左側(cè)邊緣、中間、右側(cè)邊緣的表面分別粘貼3根光纖，每根光纖上串接有5個(gè)不同中心反射波長(zhǎng)的光柵，中心反射波長(zhǎng)分別為1290 nm、1293 nm、1303 nm、1305 nm、1308 nm，每個(gè)光柵間隔 0.2倍葉片半徑的距離，葉片以懸臂梁的形式，葉根固定，葉尖加載等效推力［9］，靜載荷光纖光柵應(yīng)變實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 靜載荷光纖光柵應(yīng)變實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖

4 ANSYS計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將葉片的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，選擇solid45單元進(jìn)行應(yīng)變分析，圖6為葉尖加載推力為31.6 N時(shí)葉片表面應(yīng)變分布云圖，并將有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.1 31.6 N推力下葉片表面各點(diǎn)的應(yīng)變分布

圖6 葉片表面應(yīng)變分布云圖

表2和表3分別為葉尖推力為31.6 N時(shí)葉片左側(cè)、右側(cè)各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算的應(yīng)變值。對(duì)比可知，在葉片0.6倍半徑處的應(yīng)變值最大，葉尖和葉根的應(yīng)變值最小，這是由于小型風(fēng)力機(jī)葉片根部（0.2倍半徑處）的弦長(zhǎng)最長(zhǎng)，剛度最大，載荷施加在葉尖時(shí)，沿葉片翼展方向剛度較小的中間段部位最容易彎曲變形［10］。

表2 葉片左側(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

表3 葉片右側(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

比較實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算的應(yīng)變值，在應(yīng)變最大的葉片0.6倍半徑處，左側(cè)的誤差為－2.1%，右側(cè)的誤差為3.3%，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算基本吻合。在葉片的最大應(yīng)變部位，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和有限元計(jì)算值的誤差較小，在應(yīng)變較小的部位，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算的誤差，導(dǎo)致偏差較大［11］，但是，兩者的結(jié)果趨勢(shì)一致，如圖 7和圖8所示。

圖7 葉片左側(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖8 葉片右側(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

4.2 不同推力下葉片最大應(yīng)變的變化趨勢(shì)

表4和表5為不同推力載荷下（風(fēng)速為7～12 m/s）葉片0.6倍半徑處兩側(cè)各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算的應(yīng)變值，其對(duì)應(yīng)的曲線如圖9和圖10所示。對(duì)比可知，隨著載荷的增加，葉片的應(yīng)變值近似線性增加，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算的誤差也逐漸減小。

表4 不同推力下葉片0.6倍半徑處左側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值

表5 不同推力下葉片0.6倍半徑處右側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值

圖9 不同推力下葉片0.6倍半徑處左側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

圖10 不同推力下葉片0.6倍半徑處右側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值

（1）葉片0.6倍半徑處應(yīng)變最大；由于葉根的剛度最大，葉根附近的應(yīng)變較小；葉尖處的應(yīng)變最小。

（2）隨著載荷近似線性地增加，葉片的最大應(yīng)變值也近似線性地增加。

（3）在葉片的最大應(yīng)變區(qū)，光纖光柵實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

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