風力機葉片腹板緣條結(jié)構(gòu)分析

楊 瑞 ，張康康

（1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省風力機工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

葉片作為大型風力機最重要的部件之一，其強度、穩(wěn)定性、振動和成本等在葉片結(jié)構(gòu)設計中扮演著重要角色[1]。腹板結(jié)構(gòu)在葉片中是主要承載剪應力的部件，因而又稱為抗剪腹板。大型風力機葉片腹板由復合材料制成，腹板上下邊緣與蒙皮粘結(jié)。

文獻[2]以蒙皮厚度、腹板厚度、剛性肋條數(shù)與布置位置為設計變量，采用有限元法與改進遺傳算法相結(jié)合的方法實現(xiàn)葉片減重，但是沒有考慮葉片的實際鋪層情況。文獻[3]選取弦長、扭角、鋪層數(shù)、鋪層位置、腹板位置、主梁帽寬度等27 個參數(shù)作為設計變量，運用競爭博弈決策方法減輕了葉片質(zhì)量，并且增加了風力機年發(fā)電量。文獻[4]采用基于斷裂力學有限元分析方法，分析了風力機葉片腹板粘接區(qū)的失效特征。文獻[5]對腹板根部開口形狀進行了研究，通過對根部段蒙皮與腹板粘處剪力、C 形口應力分布進行分析，從而得出了C 形開口的最佳形式。文獻[6]采用實驗及模擬的方法研究了葉片的強度要求、危險截面的分布及結(jié)構(gòu)性能的合理性，提高了計算分析效率。腹板與蒙皮發(fā)生粘接脫離通常被認為是腹板失效的一種主要方式。文獻[7]利用ANSYS 軟件分析了5MW 風力機葉片的鋪層和主梁形式對固有頻率的影響。目前，國內(nèi)外學者對腹板結(jié)構(gòu)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)形式、鋪層方式、失效破壞等方面，對腹板緣條結(jié)構(gòu)的研究較少。為分析腹板緣條結(jié)構(gòu)對葉片結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生的影響，以NREL 5MW 風力機葉片為模型，研究添加緣條結(jié)構(gòu)前后葉片變形、應力分布及固有頻率的變化，從而對葉片結(jié)構(gòu)設計提供參考依據(jù)。

2 有限元模型

葉片氣動外形數(shù)據(jù)采用美國可再生能源實驗室（NREL）5MW 風力機[8]。采用Apdl 命令流對葉片進行參數(shù)化建模。葉片鋪層材料以玻璃纖維為主。鋪層材料屬性，如表1 所示。

表1 鋪層材料力學性能/MPaTab.1 Material Properties/MPa

文獻[9]中的鋪層方式，考慮葉根到葉尖厚度變化，根部鋪層192 層，葉尖96 層。梁帽在葉片中為主要承力部件，采用單軸向布和雙軸向布，腹板、蒙皮采用三明治結(jié)構(gòu)。葉片采用Shell 181單元模擬，單元總數(shù)56333。

對葉片梁帽及腹板緣條部分進行鋪層加厚。距葉根30%展長處的兩種腹板形式的葉片有限元截面，如圖3 所示。

圖1 葉片有限元截面Fig.1 Blade Finite Element Section

3 流場分析計算

3.1 網(wǎng)格及邊界條件

采用六面體網(wǎng)格單元劃分計算域。流場域網(wǎng)格及邊界條件，如圖5 所示。采用對邊界層湍流和自由剪切湍流都有很好模擬效果的k-ω SST 模型來計算湍流粘性[10]。入口風速11.4m/s，風輪額定轉(zhuǎn)速12.1r/min，壁面無滑移。

圖2 網(wǎng)格及邊界條件Fig.2 Mesh and Boundary Conditions

在額定工況下進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，分別對網(wǎng)格總數(shù)為663.23 萬、752.56 萬、943.62 萬和 1204.72 萬的模型在額定工況下模擬，功率計算，如表2 所示?？紤]計算的經(jīng)濟性，選擇943.03萬網(wǎng)格，其中旋轉(zhuǎn)域572.4 萬，靜止域370.63 萬。

表2 葉片網(wǎng)格無關(guān)性驗證Tab.2 Blade Mesh Independence Verification

3.2 流場計算

額定工況下進行流場分析，得到氣動載荷風輪表面速度、壓力分布，如圖5 所示。

圖3 速度及壓力分布Fig.3 Velocity and Pressure Distribution

4 葉片靜力分析與模態(tài)分析

4.1 載荷加載

在靜力分析模塊中選擇葉片表面為載荷加載面，導入壓力載荷。通過對比導入結(jié)果可知，流場壓力幾乎全部導入到有限元葉片表面，壓力載荷損失非常小。導入結(jié)果比較，如表3 所示。

表3 載荷導入結(jié)果比較/NTab.3 Comparison of Load Import Results/N

4.2 單腹板靜力分析

單腹板無緣條葉片葉尖最大變形為937.52mm，最大應力26.2MPa；有緣條葉片最大變形為935.58mm，最大應力為25.221MPa，葉片變形減小1.94mm，最大應力減小0.979MPa，說明緣條結(jié)構(gòu)對單腹板葉片整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。葉片根部腹板與蒙皮粘結(jié)區(qū)應力值較大，說明根部粘結(jié)區(qū)是應力集中區(qū)。添加緣條結(jié)構(gòu)后根部應力集中點最大應力減少0.39MPa，且集中點附近整體應力水平降低，大應力分布區(qū)域明顯減小。由此可見，腹板緣條能夠減小葉片根部應力集中，降低葉片葉尖變形，減小葉片疲勞失效，改進了葉片結(jié)構(gòu)性能。

圖4 單腹板葉片靜力分析Fig.4 Static Analysis of Single Web Blade

4.3 雙腹板靜力分析

雙腹板葉片添加緣條前最大變形為767.31mm，最大應力22.229MPa；添加緣條后最大變形為760.11mm，最大應力18.134MPa。最大變形量減少7.2mm，最大應力值減小4.095MPa，葉片整體結(jié)構(gòu)性能改進明顯?？梢钥吹皆诳拷~根的同一區(qū)域產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，改進之后應力最大值減小了3.21MPa，葉片表面整體應力分布水平下降，尤其葉根大應力分布區(qū)減少明顯，減小了粘結(jié)區(qū)應力集中，提高葉片葉片結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)強度。這是因為緣條結(jié)構(gòu)增大了腹板與蒙皮粘結(jié)區(qū)的受力面積，表明雙腹板葉片添加緣條對結(jié)構(gòu)性能改進較大，可以延長葉片壽命。由單腹板葉片與雙腹板葉片比較得出，雙腹板葉片變形、應力和應變分布皆優(yōu)于單腹板葉片。

圖5 雙腹板葉片靜力分析Fig.5 Static Analysis of Double Webs Blade

4.4 模態(tài)分析

葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計一個重要的目標就是減少共振破壞，因此對葉片的模態(tài)分析非常有必要。

圖6 單腹板葉片各階頻率Fig.6 Natural Frequencies of Single Web Blade

圖7 雙腹板葉片各階頻率Fig.7 Inherent Frequencies of Double Webs Blades

模態(tài)分析可以看出，單腹板葉片添加緣條結(jié)構(gòu)后，其一階固有頻率沒有變化，二至六階固頻率分別減少0.001Hz、0.11Hz、0.587Hz、0.204Hz、0.211Hz，同比減小 0.074%、5.91%、15.34%、3.49%、2.91%。單腹板葉片固有頻率影響較小，這主要是緣條結(jié)構(gòu)較小，對單葉片整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也較小。添加緣條結(jié)構(gòu)后，雙腹板葉片一至六階固有頻率分別減小 0.043Hz、0.052Hz、0.237Hz、0.473Hz、0.182Hz、0.796Hz， 同 比 減 小 7.44% 、0.4% 、11.6%、11.2%、3.19%、10.61%。雙腹板葉片影響明顯，葉片各階頻率都顯著下降，其中高階頻率減小幅值最為明顯。無論是單腹板葉片還是雙腹板葉片，腹板緣條結(jié)構(gòu)能夠降低風力機葉片的各界固有頻率，并且第三階、第四階、第六階固有頻率減小百分比最多，雙腹板葉片的一階固有頻率減小百分比也很大。這是因為葉片截面的質(zhì)量分布及截面剛度發(fā)生改變，對葉片整體結(jié)構(gòu)影響較大。風力機振動的能量主要集中在前三階模態(tài)，高階固有頻率只有在風輪轉(zhuǎn)速較高時才會激發(fā)，因此，結(jié)構(gòu)設計時必須考慮緣條結(jié)構(gòu)對風力機葉片固有頻率的影響。

5 結(jié)論

基于NREL 5MW 風力機葉片，分別對添加緣條結(jié)構(gòu)前后的單、雙腹板葉片進行靜力學和模態(tài)分析，得出以下結(jié)論：（1）通過靜力學分析，添加緣條結(jié)構(gòu)后，單、雙腹板葉片葉尖變形量減小，應力分布得到改善。其中單腹板葉片改善較小，雙腹板葉片改善明顯。（2）通過模態(tài)分析，單腹板葉片添加緣條結(jié)構(gòu)對其固有頻率影響較小，雙腹板葉片影響明顯，高階頻率最為顯著。（3）對單、雙腹板模型對比，說明雙腹板葉片的結(jié)構(gòu)性能均優(yōu)于單腹板葉片。