基于UG的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有限元分析

潘 聰, 李佳祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

新能源技術(shù)

基于UG的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片有限元分析

潘 聰, 李佳祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的有限元分析方法，利用UG軟件對(duì)葉片進(jìn)行建模和分析計(jì)算，結(jié)果表明：該葉片模型具有良好的強(qiáng)度和剛度，能滿足工作要求。

風(fēng)力發(fā)電； 葉片結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)分析； 模態(tài)分析

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的能源需求；同時(shí)，公眾對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境的呼聲日益高漲，發(fā)展清潔能源已經(jīng)成為全球共同面臨的課題。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，逐漸受到全球的重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉片、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、塔架、儲(chǔ)能設(shè)備等組成。葉片是其中的關(guān)鍵部件之一，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件，應(yīng)具有良好的捕風(fēng)能力、足夠的強(qiáng)度和剛度，以及穩(wěn)定性。葉片的翼型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)形式，直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能和功率。

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的風(fēng)電葉片，由于理論計(jì)算和應(yīng)力測(cè)試的不易操作性，筆者利用UG軟件對(duì)葉片進(jìn)行建模和分析。

1 葉片模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析，增大葉片掃風(fēng)面積，并使其質(zhì)量最小化，獲得更高的捕風(fēng)能力[1]。

由于構(gòu)件的固有頻率和振型主要取決于它的剛度分布和質(zhì)量分布[2]，筆者建立的葉片模型見(jiàn)圖1，葉片總長(zhǎng)為30 m。

圖1 葉片模型

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 風(fēng)機(jī)葉片材料

風(fēng)機(jī)葉片材料是影響風(fēng)機(jī)葉片性能和效率的關(guān)鍵因素之一。通用的風(fēng)機(jī)葉片材料主要包括：金屬(鋁合金)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(玻璃鋼)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等[1]。為了增強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉片的捕風(fēng)能力，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能和效率，往往要求葉片材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大等特性[2]。

復(fù)合材料垂直于纖維方向的性能主要取決于基體材料的性能和基體與纖維的結(jié)合能力，層間應(yīng)力和層間剪切強(qiáng)度很低[3]。選用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料FRP作為葉片材料，其材料特性見(jiàn)表1[4]。

表1 FRP材料強(qiáng)度特性

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

利用UG軟件對(duì)葉片模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元屬性選用3D四面體網(wǎng)格(CTETRA(4))，單元大小設(shè)為100。繪制的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格

2.3 邊界條件和葉片載荷

在實(shí)際工況下，風(fēng)機(jī)葉片依靠端部螺栓固定在輪轂上，并隨輪轂一同轉(zhuǎn)動(dòng)。為了便于分析，筆者將葉片端部設(shè)為固定約束。

風(fēng)機(jī)葉片的工作原理是將空氣流動(dòng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。風(fēng)機(jī)葉片的載荷主要包括兩部分：一是風(fēng)機(jī)葉片的自重，二是由空氣流動(dòng)產(chǎn)生的壓力。

將空氣當(dāng)成黏度可以忽略、不可被壓縮的理想流體。據(jù)伯努利方程：

(1)

式中：p是流體壓力；ρ是流體密度；h是流體高度；v是流體速度；C是常數(shù)。

空氣流經(jīng)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生高度差。式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

采用20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣密度ρ=1.205 kg/m3，風(fēng)速采用12級(jí)風(fēng)(颶風(fēng)，32.7～36.9 m/s)，即v=37 m/s，得出葉片表面空氣壓力為p=825 Pa。

將固定約束、重力和壓力施加至葉片模型，見(jiàn)圖3。

圖3 邊界條件和載荷

2.4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

利用UG軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，可以得到應(yīng)力、應(yīng)變分布以及葉片的變形結(jié)果。葉片模型的應(yīng)力分布見(jiàn)圖4，有限元的數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

表2 葉片模型1有限元分析結(jié)果

從圖4可以看出：葉片應(yīng)力沿葉展方向逐漸減小，在葉尖處應(yīng)力最小。最大應(yīng)力出現(xiàn)在距葉片端部7 m處(葉長(zhǎng)23%，圖4中A處)。

上述分析結(jié)果指出，葉片模型的最大應(yīng)力為1.535 MPa，遠(yuǎn)小于纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料的屈服強(qiáng)度(20 MPa)，說(shuō)明該葉片滿足強(qiáng)度要求。

在實(shí)際工況中，要求葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能與塔架碰撞，葉片最大位移是在圖4中Z方向，即垂直葉片方向，葉片模型1的最大位移為7.506 mm，這個(gè)很小的變形量也證明該葉片滿足剛度要求。

3 模態(tài)分析

3.1 邊界條件

同第2章所述，將葉片端部設(shè)為固定約束。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)葉片進(jìn)行自然模態(tài)分析，取前10階模態(tài)，計(jì)算的自然頻率見(jiàn)表3。

表3 模態(tài)分析自然頻率

在實(shí)際工況下，葉片的高階激勵(lì)較少，所以重點(diǎn)關(guān)注低階激勵(lì)[4]。筆者提取了前4階振型，其變形情況見(jiàn)圖5。

圖5 葉片模型模態(tài)分析變形圖

3.3 模態(tài)分析結(jié)果分析

葉片的振動(dòng)形式主要有三種：揮舞振動(dòng)、擺振振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[2]。揮舞振動(dòng)是指在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)，擺振振動(dòng)是指在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是指葉片繞軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

分析結(jié)果顯示：

(1) 葉片1階至3階振型主要表現(xiàn)為彎曲振動(dòng)，該彎曲振動(dòng)是揮舞振動(dòng)和擺振振動(dòng)共同作用的結(jié)果；4階振型中已經(jīng)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，是彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)。

(2) 葉片1階振型主要是揮舞振動(dòng)，2階振型主要是擺振振動(dòng)，3階振型是揮舞振動(dòng)和擺振振動(dòng)都有，4階振型是揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)3種振動(dòng)共存，說(shuō)明振動(dòng)的階次越高，振動(dòng)的形式越復(fù)雜，對(duì)葉片影響越大。

(3) 振動(dòng)的階次越高，葉片的應(yīng)變和應(yīng)力越大，葉片屈曲效應(yīng)越顯著。

(4) 從葉片的應(yīng)變和應(yīng)力結(jié)果得知，葉片模型有足夠的強(qiáng)度和剛度，具有很好的屈曲穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析得知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在距葉片端部7 m處(葉長(zhǎng)23%)，葉片模型有足夠的強(qiáng)度和剛度，具有很好的屈曲穩(wěn)定性。采用UG軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析可以節(jié)省大量的時(shí)間，分析結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] 潘藝，周鵬展，王進(jìn). 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007，21(3)：48-51.

[2] 高會(huì)煥. 纖維增強(qiáng)材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展概述[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2009(4)：104-108.

[3] 陳啟卷，張凱. 1 MW風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析[J]. 水電與新能源， 2010(4)：66-69.

[4] 朱蕾. 復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

廣 告

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院

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封2

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封3

徐州羅特艾德回轉(zhuǎn)支承有限公司

封底

Finite Element Analysis of Wind Turbine Blades Based on UG

Pan Cong, Li Jiaqi

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

A method was proposed for finite element analysis of wind turbine blades, with which the blades were modeled and calculated using UG software. Results show that both the strength and stiffness of the blade model are high enough to meet the requirements of actual application.

wind power generation; blade structure; structural analysis; modal analysis

2014-08-13

潘 聰(1990—)，男，助理工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析，參與變頻柜等電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工作。

E-mail: pancong@speri.com.cn

TK83

A

1671-086X(2015)04-0308-03