小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維建模

林鎖鑫 薛揚(yáng)詩(shī) 郭良祥 繆海滔

（寧德師范學(xué)院，福建寧德352100）

0 引言

隨著化石能源的過(guò)渡消耗以及其對(duì)環(huán)境帶來(lái)的嚴(yán)重影響，風(fēng)能憑借其清潔、可循環(huán)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到重視，風(fēng)電作為新能源,因其自身的清潔環(huán)保性和可持續(xù)性而有著廣闊的發(fā)展前景和提升空間。本文論述了風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)及風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在中國(guó)的發(fā)展及現(xiàn)狀,并結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況進(jìn)行了以下方面的探討及研究。

1 為什么要建立三維模型

葉片是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置中的關(guān)鍵部件之一,它的幾何形狀直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率、可靠性、噪聲的大小,以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了滿足各項(xiàng)氣動(dòng)性根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)的經(jīng)典理論設(shè)計(jì)葉片的外形，利用三維建模軟件建立葉片的三維實(shí)體模型。其中根據(jù)葉片翼型數(shù)據(jù)較多的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在傳統(tǒng)建模方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下，提出了導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件的建模方法，提高了模型的建立效率。

2 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新點(diǎn)

因?yàn)槌Ｒ?guī)礦物能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性和有限性，于是尋求清潔的可再生能源遂成為現(xiàn)代世界的一個(gè)重要課題。風(fēng)能作為可再生的、無(wú)污染的自然能源又重新引起了人們重視。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備供不應(yīng)求。近年來(lái)，新興市場(chǎng)的風(fēng)電發(fā)展迅速。在國(guó)家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國(guó)的風(fēng)電特別是風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風(fēng)電最為活躍的場(chǎng)所。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造復(fù)雜，各部分功能都非常重要，通過(guò)有序運(yùn)行來(lái)完成。

2.1 合理設(shè)計(jì)方案

施工組織設(shè)計(jì)對(duì)施工全過(guò)程具有主導(dǎo)作用，它通過(guò)對(duì)施工進(jìn)行全面、嚴(yán)密的組織計(jì)劃，指導(dǎo)施工活動(dòng)，從而使工程施工又好又快發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)基本建設(shè)投資效果的目的。

2.2 加強(qiáng)技術(shù)管理

在工程施工到投產(chǎn)的全過(guò)程都要重視施工技術(shù)管理。在整個(gè)過(guò)程中，要按規(guī)定的施工操作流程來(lái)確保施工的質(zhì)量。要求施工人員有一定的專業(yè)知識(shí)，掌握熟練的工作技能，并嚴(yán)格執(zhí)行施工程序。工程技術(shù)資料是施工情況的真實(shí)反映，是評(píng)定工程質(zhì)量的主要依據(jù) ，因此我們也要加強(qiáng)工程技術(shù)資料的管理。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)管理

要做好風(fēng)能發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)管理，應(yīng)將工程的主要部位、主要結(jié)構(gòu)和隱蔽工程納入重點(diǎn)管理內(nèi)容。對(duì)其工程質(zhì)量進(jìn)行全面、全過(guò)程的檢查。施工現(xiàn)場(chǎng)管理還應(yīng)對(duì)技術(shù)措施、操作規(guī)程等方面進(jìn)行全面檢查；同時(shí)還須做到安全、文明、環(huán)保施工。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到風(fēng)力的作用，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。使得風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能,風(fēng)輪軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。一般葉輪設(shè)計(jì)成翼形,風(fēng)輪從自然界獲得的能量有限,其功率損失部分可解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。 現(xiàn)代風(fēng)輪設(shè)計(jì)一般采用新翼形設(shè)計(jì),除按照傳統(tǒng)要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機(jī)械強(qiáng)度外,新翼形和傳統(tǒng)的航空翼形有較大差別∶一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數(shù),并減少尖部葉片弦長(zhǎng),以控制轉(zhuǎn)子尖部的負(fù)荷。

2.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維建模與分析

由于風(fēng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源。所以在當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。同時(shí)由于風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用綠色環(huán)保,眾多國(guó)家和地區(qū)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究不斷深入，使其造福人民。從葉片周圍繞流的物理模型抽象出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,采用有限體積法對(duì)葉片的外部流場(chǎng)進(jìn)行處理,獲得了葉片外流場(chǎng)的速度、壓力分布,撲捉到一些重要的流動(dòng)現(xiàn)象。驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和極限風(fēng)速工況下的運(yùn)行情況,驗(yàn)證了葉片由于攻角過(guò)大時(shí)產(chǎn)生的失速現(xiàn)象等。利用SolidWorks軟件建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三維模型。重點(diǎn)對(duì)葉片進(jìn)行受力模擬運(yùn)算,結(jié)合風(fēng)機(jī)工作中的實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前葉片設(shè)計(jì)中存在的不足之處,為后續(xù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在風(fēng)力發(fā)電實(shí)際應(yīng)用中起一定的指導(dǎo)作用。

2.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電不斷獲得發(fā)展,200年以來(lái),全球每年風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度為20%～30%。全球風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布最新一期全球風(fēng)電的增長(zhǎng)數(shù)據(jù)顯示,2008年全球范圍內(nèi)新增風(fēng)電裝機(jī)容量2705萬(wàn)kW,使得全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到1.20億kW,較2007年增長(zhǎng)28.8%。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件之一。當(dāng)前已發(fā)明設(shè)計(jì)了不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及發(fā)電系統(tǒng).并努力改進(jìn)，使其更好的造福于民。

2.6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片三維模型自動(dòng)成型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究

葉片外形設(shè)計(jì)是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大利用風(fēng)能的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)小型風(fēng)力機(jī)葉形設(shè)計(jì)方法及改善設(shè)計(jì)葉形氣動(dòng)特性等問(wèn)題,在葉片三維模型對(duì)整機(jī)載荷的影響等方面進(jìn)行了一定的研究。研究工作具體內(nèi)容及結(jié)論如下∶

（1）以400W水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片數(shù)據(jù)為模型,首先根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)等條件確定風(fēng)輪基本參數(shù)；其次根據(jù)相關(guān)計(jì)算葉片展向不同半徑下的弦長(zhǎng)、扭角等參數(shù)計(jì)算公式；最后提出減少制造成本和獲得最大風(fēng)動(dòng)力的修正葉片參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

（2）在確定葉片截面參數(shù)計(jì)算公式及現(xiàn)有掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)的三維葉片模型特點(diǎn)后,根據(jù)SolidWorks二次開(kāi)發(fā)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù),開(kāi)發(fā)一套水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件可以快速、便捷的成型各種設(shè)計(jì)條件下的葉片三維模型,并能通過(guò)修改數(shù)據(jù)文件,進(jìn)行較為個(gè)性化的葉片模型設(shè)計(jì),大大提高了設(shè)計(jì)速度和模型的正確性,彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。

圖1 400W風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維模型

（3）根據(jù)整機(jī)載荷計(jì)算原理,將整機(jī)劃分多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),分別對(duì)不同關(guān)鍵部位進(jìn)行載荷計(jì)算,并運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行多種葉形下的葉片載荷計(jì)算,通過(guò)分析關(guān)鍵部位穩(wěn)定載荷曲線、正常發(fā)電、正常停機(jī)等多個(gè)工況下載荷譜,對(duì)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的葉形進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。

3 總結(jié)

葉片外形設(shè)計(jì)是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大利用風(fēng)能的關(guān)鍵技術(shù)。風(fēng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源，在當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。同時(shí)由于風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用綠色環(huán)保,眾多國(guó)家和地區(qū)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究不斷深入，使其造福人民.本文針對(duì)小型風(fēng)力機(jī)葉形設(shè)計(jì)方法，在葉片設(shè)計(jì)原理、修正方法、模型成型方法以及葉片三維模型對(duì)整機(jī)載荷的影響等方面進(jìn)行了一定的研究。推廣應(yīng)用新興的三維建模風(fēng)力發(fā)電站代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電力變電站,分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及相關(guān)系統(tǒng),得出了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維建模設(shè)計(jì)方案的可行性。

［1］尹鵬,王春秀.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片精確建模方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010(05).

［2］閆海津,胡丹梅.風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模[J].能源技術(shù),2009(02).