基于有限元的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特性分析

摘要：在目前的新能源領(lǐng)域發(fā)展史上，風(fēng)能的速度日新月異。但風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境使得風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行中承受著巨大的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷;其動(dòng)態(tài)特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠運(yùn)行起著非常重要的作用。在此，針對(duì)某風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性—模態(tài)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。得出結(jié)論：葉片在測(cè)試中，揮舞和擺振是前四階振動(dòng)的主要體現(xiàn)形式;總體看揮舞方向剛度比擺振方向剛度小，故揮舞方向固有頻率低，為后期風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：特性分析;葉片結(jié)構(gòu);風(fēng)力機(jī)

引言

風(fēng)資源的應(yīng)用在全球新能源和可再生能源行業(yè)中創(chuàng)造了最快的增長(zhǎng)速度，是目前世界上能源領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一。而寧夏回族自治區(qū)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中也有明確指出，要在2020年風(fēng)電裝機(jī)達(dá)1100萬千瓦 建成5個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)資源有序開發(fā)。但是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境一般比較惡劣，風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行情況和受載復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)特性分析對(duì)葉片結(jié)構(gòu)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性設(shè)計(jì)起著非常重要的作用[1]。

1. 葉片的基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式

1.1 葉片的基本參數(shù)

研究對(duì)象風(fēng)力機(jī)葉片基本參數(shù)如下：額定功率：1500KW;功率控制：變槳;風(fēng)輪直徑：82.5m;切入風(fēng)速：3m/s;切出風(fēng)速：25m/s;轉(zhuǎn)速范圍：10.3～20.7rpm;額定轉(zhuǎn)速：17.4rpm;最大功率系數(shù)：0.489;葉尖最大撓度：6.3 m最佳尖速比：9.0;錐角：3°;旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針;葉片數(shù)：3片;輪轂高度：80 m;長(zhǎng)度：40.25 m;最大弦長(zhǎng)：3.183 m;扭角：16°;

1.2 葉片結(jié)構(gòu)型式

葉片作為風(fēng)電機(jī)組中獲得風(fēng)資源的主要部件，保證風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的決定因素即為其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就在于使其具有恰當(dāng)?shù)耐庑魏秃侠淼膹?fù)合纖維鋪層結(jié)構(gòu)，以確保葉片在受載時(shí)不發(fā)生局部失效[2]。3葉片采用單梁雙腹板結(jié)構(gòu)，分別由2個(gè)葉片殼體（參見圖1）組成完整的葉片，形成空氣動(dòng)力學(xué)形狀的葉片殼體（A）是由 ±45°、0°/±60°、90°/±45°和0°單向復(fù)合氈等玻璃纖維為基礎(chǔ)的環(huán)氧基 復(fù)合壓和夾層板（沿葉片縱向方向）制造。復(fù)合層的采用PVC泡沫或 Balsa木。夾層的功能在于增加葉片的抗彎剛度，保持葉片外形的 完整性，防止葉片在外載荷作用下變形。 沿殼體中心放有1個(gè)梁，2個(gè)腹板與上下梁粘接。腹板的存在目的是是的葉片殼體之間保持固定的結(jié)構(gòu)和承擔(dān)風(fēng)載荷并將其轉(zhuǎn)化為橫向受載。后緣邊方向上的葉片固有重量由后緣邊處的后緣梁分擔(dān)，后緣梁也是由單向復(fù)合氈纖維制成[3]。

1.3 鋪層結(jié)構(gòu)

葉片是由各向異性的的復(fù)合纖維板鋪設(shè)而成，可視其為纖維增強(qiáng)層合板模型。在鋪層有限元分析中，首先要加載鋪層纖維各向參數(shù)，以保證后期計(jì)算的可行性。葉片視為層合板模型。即由相同的單向板以不同的角度鋪設(shè)而成，可定義單向板各個(gè)方向的參數(shù)，單向板使用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂作為基體。葉片的鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在此采用對(duì)其模型分段定義的方法，即按照鋪設(shè)層數(shù)延展向劃分為若干單元。通過定義不同的方向角、不同的厚度、材料，定義不同的鋪層，將所定義的材料賦給有限元模型。這樣就最大限度地模擬了葉片鋪層的真實(shí)情況[2]，基于葉片模型的薄壁及復(fù)合材料特性，選用shell薄殼單元，鋪層方式如圖2。

2. 葉片強(qiáng)度分析

葉片三維模型的建立首先利用CATIA V5平臺(tái)依據(jù)各個(gè)截面的輪廓線建立模型框架，然后通過截面放樣生成葉片的曲面造型。網(wǎng)格的劃分采用四邊形單元。在單元數(shù)目的選取上進(jìn)行了多次嘗試，實(shí)踐表明：?jiǎn)卧獢?shù)目的選取有一個(gè)最佳范圍，小于這個(gè)范圍，求解精度不夠， 超過這個(gè)范圍，對(duì)結(jié)果精度的提高則很有限，反而會(huì)影響求解速度。通過多次試算選取單元數(shù)目為 725934。這個(gè)數(shù)目既能保證求解問題的精度，又不影響求解速度。其中結(jié)構(gòu)動(dòng)特性——模態(tài)分析只將根部6個(gè)自由度全部約束，除 此之外其余強(qiáng)度等計(jì)算在葉根部將 6 個(gè)自由度全部約束，分別將葉片氣動(dòng)計(jì)算的載荷按相應(yīng)位置施加相應(yīng)的載荷。

2.1 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

2.1.1 載荷工況的選擇

葉片結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算的載荷工況根據(jù)葉片BLADE 軟件的載荷計(jì)算結(jié)果，選取了出現(xiàn)的兩種最大的極限載荷情況，即：

工況一：根據(jù) GB18415.1-2001《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 安全要求》的規(guī)定，DLC1.5 風(fēng)況為，風(fēng)力機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，并被接有電力負(fù)載，風(fēng)力機(jī)總體布局考慮風(fēng)輪不平衡的影響，考慮外部故障和電負(fù)荷損失的瞬態(tài)情況。此時(shí)采用 1 年一遇極端運(yùn)行陣風(fēng)進(jìn)行模擬。載荷設(shè)計(jì)安全系數(shù)為 1.35。

工況二：根據(jù) GB18415.1-2001《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 安全要求》的規(guī)定的 DLC6.1 風(fēng)況：即在風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)，風(fēng)輪停止不動(dòng)或空轉(zhuǎn)，此時(shí)采用 50 年一遇極端湍流風(fēng)模型，平均風(fēng)速為 37.5m/s，風(fēng)剪切系數(shù)為0.11，偏航誤差為+30°至-30°，空轉(zhuǎn)漿距角為 90°，載荷設(shè)計(jì)安全系數(shù)為 1.35。

工況三：“過工況”，即將前兩種工況下的 Fxmax、Fymax、Fzmax 同時(shí)作用到葉片各個(gè)截面上進(jìn)行計(jì)算

6.1.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

在本計(jì)算過程中出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，在工況一、二、三狀態(tài)下， 引起的最大應(yīng)力部位主要集中在葉片根部、根部玻璃鋼復(fù)合材料與夾芯層連接部位、梁與玻璃鋼連接的起始部位、后緣等位置。風(fēng)機(jī)葉片殼體各鋪層均為正交各向異性材料，與各向同性材料相比，各向異性材料最大作用應(yīng)力并不一定對(duì)應(yīng)材料的危險(xiǎn)狀態(tài)，因此不能采用各向同性材料的強(qiáng)度理論。要準(zhǔn)確判斷正交各向異性材料的強(qiáng)度，應(yīng)該根據(jù)材料第一主應(yīng)力及層間剪應(yīng)力為計(jì)算分析依據(jù)。

對(duì)于穩(wěn)定性分析，文中采用特征值穩(wěn)定性分析法：τ≤[τ]= τrk /Mc;σ≤ [σ]=σrk/Mc。不穩(wěn)定發(fā)生的位置主要位于距離葉根 5～13m 處（吸力面）。這一段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：截面弦長(zhǎng)比較長(zhǎng)，后緣與腹板距離比較大，在空間上形成一個(gè)比較大的空腔結(jié)構(gòu)，腔體上表面受到壓力比較大，又缺少腹板的有力支撐，所以這一段葉片發(fā)生不穩(wěn)定的可能性就比較大。因此從這一段主梁、后緣上分別取點(diǎn)進(jìn)行研究，應(yīng)力值取的是最大值工況來分析：主τrk=42MPa，σ rk =659MPa;后緣τrk=45MPa，σ rk =553MPa;經(jīng)計(jì)算，葉片結(jié)構(gòu)在實(shí)際極限載荷作用下不發(fā)生分層、折皺、翹曲，該葉片滿足屈曲強(qiáng)度要求。

2.2結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

為了避免風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉片的頻率與機(jī)組的頻率產(chǎn)生共振，本計(jì)算分析給出葉片的一階揮舞和擺振方向的固有頻率。對(duì)于葉片長(zhǎng)度大于30m，計(jì)算過程對(duì)葉片揮舞方向和擺振方向的二階頻率和一階扭轉(zhuǎn)頻率等都進(jìn)行了分析計(jì)算與研究，限于篇幅，只附部分揮舞和擺振振型云圖。

其計(jì)算結(jié)果是：頻率階數(shù)從1階到6階中，其固有頻率分別為：3.6401、4.6275、7.6860、8.3462、10.615、11.607，振型均為揮舞擺振耦合。由計(jì)算結(jié)果可見，前 4 階都以擺振和揮舞及其耦合振動(dòng)為主， 即揮舞和擺振是風(fēng)力機(jī)葉片的主要振動(dòng)形式?？傮w看揮舞方向剛度比 擺振方向剛度小，故揮舞方向固有頻率低。風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速為 17.4r/min，因此機(jī)組激振頻率為 0.29HZ，經(jīng)計(jì)算得到的揮舞一階靜態(tài)固有頻率為 0.894，高于 3 倍轉(zhuǎn)速頻 0.87Hz，而此時(shí)的揮舞一階動(dòng)態(tài)頻率值也已在機(jī)組激振頻率3倍倍頻±5%范圍外。故葉片在額定工況附近運(yùn)行，避開了葉片固有頻率共振區(qū)，滿足其動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)要求[4]。

3.參考文獻(xiàn)：

[1]李明.變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片模型的載荷測(cè)試實(shí)驗(yàn)[J].北京：太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2013（9）：P1574—P1578

[2]姜勇.復(fù)合纖維風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模[J].山東：科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（32）：P94

[3]鄧海龍.鋪層參數(shù)對(duì)復(fù)合纖維風(fēng)機(jī)葉片性能的影響分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

[4]馮消冰.某大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的有限元分析[J].廣東：合成材料老化與應(yīng)用，2015（1）：P96-P101

7 作者簡(jiǎn)介?簡(jiǎn)介：姜勇、男、1987年12月、碩士、講師、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

資助項(xiàng)目基金：寧夏高?？茖W(xué)研究項(xiàng)目基金（NGY2018-258）