風(fēng)電葉片建模及結(jié)構(gòu)分析與測(cè)試*

孔 魁，周曉亮，程明哲

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

0 引言

風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件，其制造成本占設(shè)備總成本的20%～30%，葉片設(shè)計(jì)與制造是風(fēng)電機(jī)組中較關(guān)鍵的技術(shù)[1～5]，直接決定了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能、設(shè)備的可靠性，同時(shí)也影響著整機(jī)的載荷水平。FOCUS軟件是一款用于風(fēng)電機(jī)組及組件快速設(shè)計(jì)分析的工具，在國(guó)內(nèi)外有多年的應(yīng)用史[6～7]。鑒于此，本文基于FOCUS軟件構(gòu)建某兆瓦級(jí)葉片模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并通過與測(cè)試值對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。

1 建立葉片F(xiàn)OCUS模型

FOCUS具有三維交互式或參數(shù)化兩種建模方式；參數(shù)化建模能夠快速創(chuàng)建葉片模型，三維交互式界面可直觀顯像葉片設(shè)計(jì)，方便檢查和調(diào)整模型。葉片F(xiàn)OCUS建模流程如圖1所示。

使用FOCUS進(jìn)行葉片建模具體流程如下：首先，通過單位弦長(zhǎng)為1的翼型坐標(biāo)點(diǎn)定義翼型輪廓線和旋轉(zhuǎn)中心；其次，設(shè)置各截面所選用的翼型、弦長(zhǎng)、扭角、預(yù)彎數(shù)據(jù)創(chuàng)建葉片的三維外形；然后在三維外形的基礎(chǔ)上定義各部件鋪層邊界；最后，選擇各鋪層對(duì)應(yīng)的材料類型和鋪層邊界，根據(jù)設(shè)計(jì)厚度和層數(shù)及對(duì)應(yīng)的截面位置，完成風(fēng)力機(jī)葉片的建模。

圖1 葉片建模流程圖

2 葉片的重量計(jì)算及模態(tài)分析

2.1 葉片重量計(jì)算

基于 FOCUS的 FAROB_Parse_Model和 FAR?OB_Build_Blade_database計(jì)算步下，提取該葉片模型的截面屬性。圖2為計(jì)算得到的葉片的質(zhì)量分布，由于葉根段要與變槳軸承通過螺栓連接，其設(shè)計(jì)厚度較大，同時(shí)葉根基體內(nèi)埋有金屬螺栓套，故葉根處的單位重量最大。葉片的計(jì)算重量12 067 kg，葉片實(shí)際重量12 425 kg，重量偏差2.88%。

圖2 葉片模型質(zhì)量分布

圖3 揮舞一階頻率

2.2 葉片的模態(tài)計(jì)算

研究葉片模態(tài)，主要是計(jì)算葉片的頻率及振型，防止葉片頻率與風(fēng)輪激振頻率和塔架固有頻率發(fā)生共振?；贔OCUS軟件的FAROB_eigen_frquencies計(jì)算步下，對(duì)葉片模型進(jìn)行模態(tài)分析，并提取一階揮舞、二階揮舞、一階擺振和二階擺振的振型，如圖3～6所示。

計(jì)算頻率與測(cè)試頻率對(duì)比見表1，計(jì)算與測(cè)試偏差在5%以內(nèi)，符合GL2010規(guī)范要求。

圖4 揮舞二階頻率

圖5 擺振一階頻率

3 靜力分析

3.1 位移分析

葉片靜力測(cè)試過程中，通過特定截面安裝的加載夾具，將測(cè)試載荷逐步從0%，40%，60%，80%加載到100%。利用FOCUS的自定義載荷模塊，將四個(gè)方向上的測(cè)試載荷定義為四個(gè)載荷工況，對(duì)FOCUS中葉片的梁?jiǎn)卧Ｐ图虞d測(cè)試載荷，仿真葉片各截面的加載位移，四個(gè)加載工況下葉片位移的仿真值與測(cè)試值對(duì)比如圖7～10。

圖7 最大揮舞方向位移仿真值與測(cè)試值對(duì)比

圖9 最大擺振方向位移仿真值與測(cè)試值對(duì)比

圖6 擺振二階頻率

表1 FOCUS計(jì)算頻率與測(cè)試頻率對(duì)比

圖8 最小揮舞方向位移仿真值與測(cè)試值對(duì)比

圖10 最小擺振方向位移仿真值與測(cè)試值對(duì)比

在最小揮舞方向上的加載位移與測(cè)試值偏差最大，偏差值為5.67%，仍符合GL2010規(guī)范關(guān)于位移偏差不超過7%的要求，說明該模型能真實(shí)反映葉片受載時(shí)的葉尖撓度。

3.2 應(yīng)變分析

將在FOCUS中自定義的四個(gè)方向測(cè)試載荷工況，分別加載到葉片的梁?jiǎn)卧Ｐ蜕?，四個(gè)加載工況下葉片應(yīng)變?cè)茍D如圖11～16所示。

圖11 最大揮舞方向PS面應(yīng)變分布

圖12 最大揮舞方向SS面應(yīng)變分布

圖13 最小揮舞方向PS面應(yīng)變分布

圖14 最小揮舞方向SS面應(yīng)變分布

圖15 最大擺振方向應(yīng)變分布

圖16 最小擺振方向應(yīng)變分布

靜力測(cè)試過程中，通過安裝應(yīng)變片來監(jiān)測(cè)葉片關(guān)鍵部位應(yīng)變值，不同測(cè)試工況、不同監(jiān)測(cè)位置處的測(cè)試應(yīng)變及計(jì)算應(yīng)變對(duì)比如表2、表3所示，計(jì)算應(yīng)變與測(cè)試應(yīng)變最大偏差為8.3%，符合GL2010規(guī)范中關(guān)于測(cè)試應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變不超過10%的偏差要求，說明采用FOCUS中梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行應(yīng)變分析，可較好的反映葉片實(shí)際受載時(shí)的應(yīng)變情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 主梁位置計(jì)算應(yīng)變與測(cè)試應(yīng)變對(duì)比

表3 前緣、后緣位置計(jì)算應(yīng)變與測(cè)試應(yīng)變對(duì)比

4 基于FOCUS的穩(wěn)定性分析

葉片設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一是要避免葉片的屈曲失穩(wěn)，在葉片的揮舞、擺振任一方向彎曲載荷作用下，當(dāng)葉片某一截面的應(yīng)力達(dá)到某一水平，截面局部發(fā)生突變，剛度下降，導(dǎo)致葉片發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞，后緣粘接寬度直接影響后緣剛度，而后緣剛度不足也最易導(dǎo)致葉片最小擺振方向屈曲失穩(wěn)，以下以最小擺振方向屈曲分析為例，研究粘接寬度對(duì)葉片穩(wěn)定性的影響。模型葉片后緣在21 m之后一直到葉尖，PS面和SS面殼體采用結(jié)構(gòu)膠粘接的形式。這種粘接形式在FOCUS模型中等效為小腹板結(jié)構(gòu)形式，距葉根21 m之后后緣粘接在FOCUS模型中等效形式如圖17所示。

基于FOCUS的Finstrip模塊，進(jìn)行橫截面屈曲分析，分析結(jié)果表明：在距葉根10～21 m的范圍內(nèi)屈曲載荷系數(shù)不足規(guī)范要求的2.04，后緣發(fā)生失穩(wěn)，統(tǒng)計(jì)距葉根2.8～46 m范圍內(nèi)屈曲載荷系數(shù)如圖19所示。

圖17 距葉根21 m后后緣粘接等效形式

圖18 不同截面屈曲載荷系數(shù)分布

10～21 m，PS面、SS面合模間隙過大，不適合采用直接粘接的形式，為解決后緣屈曲破壞情況，在該區(qū)域采用粘接座的形式來增加后緣在該區(qū)域的粘接寬度，增加后緣粘接座的等效模型如圖19所示。

調(diào)整后的模型屈曲載荷系數(shù)明顯提高，如圖20所示，各截面屈曲載荷系數(shù)滿足GL2010規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖19 優(yōu)化后的后緣粘接等效模型

5 結(jié)論

基于FOCUS對(duì)某兆瓦級(jí)葉片建模，計(jì)算葉片重量與測(cè)試重量相比偏差2.88%，計(jì)算頻率與測(cè)試頻率最大偏差4.6%，計(jì)算位移與測(cè)試位移最大偏差5.67%，不同位置處的計(jì)算應(yīng)變與測(cè)試應(yīng)變最大偏差8.3%，均滿足GL2010規(guī)范中關(guān)于頻率、位移、應(yīng)變偏差分別不超過5%、7%、10%的要求，表明模型構(gòu)建合理，計(jì)算方法可靠。

圖20 不同截面屈曲載荷系數(shù)分布

在FOCUS穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化后緣粘接，改善了葉片后緣剛度，使葉片的屈曲載荷系數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］ Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010：6-6.

［2］潘利劍，袁健，彭超義，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)截面剛度有限元分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（21）：129-132.

［3］靳交通，梁鵬程，曾竟成，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)截面剛度有限元分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（21）：133-136.

［4］李成良，陳淳.風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分析與鋪層設(shè)計(jì)［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2009（6）：50-53.

［5］Zhao Liang.An analysis on development of turbine for low wind speed［J］.Wind Energy，2012（12）：54-56.

［6］閆文娟，韓新月.大型風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)分析和測(cè)試［J］.可再生能源，2014（32）：1140-1143.

［7］基于FOCUS的大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析與鋪層改進(jìn)［J］.水電能源科學(xué)，2011（29）：135-137.