適用于西藏地區(qū)的聚風(fēng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)特性分析

趙斌，武熠杰，王紹龍，袁喜鵬，馮放

(1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210； 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 3. 西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000； 4. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

西藏自治區(qū)不僅太陽(yáng)能資源豐富，年輻射量居中國(guó)首位，且大部分地區(qū)屬于風(fēng)能可利用區(qū)域，西藏風(fēng)能資源儲(chǔ)量居中國(guó)第七，那曲和阿里部分地區(qū)年平均風(fēng)速可高達(dá)4.3 m/s，風(fēng)能密度大于500 W/m2，因而在西藏地區(qū)開發(fā)利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源具有十分廣闊的前景[1].太陽(yáng)能與風(fēng)能存在間歇性和時(shí)段上互補(bǔ)性的特點(diǎn)，因此在阿里和那曲等高海拔偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)分布式電站，不但可豐富西藏電源結(jié)構(gòu)，同時(shí)還可促進(jìn)當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉串a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足當(dāng)?shù)赜脩舻挠秒娦枨骩2].

西藏地區(qū)風(fēng)能資源豐富區(qū)多位于西藏地區(qū)中的高寒高海拔領(lǐng)域，雖然瞬時(shí)風(fēng)速高，但風(fēng)向多變，最突出的問題是空氣密度低，僅為內(nèi)陸低海拔地區(qū)的0.6左右[3].因此，若要在西藏發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，需充分考慮以上特點(diǎn).由于空氣密度低導(dǎo)致常規(guī)風(fēng)力機(jī)不能達(dá)到在內(nèi)陸地區(qū)的額定功率，通常的解決辦法是增大風(fēng)輪尺寸.然而，西藏地區(qū)由于高海拔，施工建設(shè)非常艱難，大型風(fēng)力機(jī)并不適合.同時(shí)，風(fēng)向多變的特點(diǎn)使得相比水平軸風(fēng)力機(jī)而言，垂直軸風(fēng)力機(jī)更適合西藏地區(qū).基于這些因素，開發(fā)了適用于西藏地區(qū)的聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)[4]，借助聚風(fēng)裝置提升風(fēng)輪入流風(fēng)速和能量密度.前期的數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)表明在不增加風(fēng)輪尺寸的條件下，風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性大幅提升，可以用于西藏地區(qū).然而，由于西藏地區(qū)的地理和氣候特點(diǎn)，建設(shè)施工和維修維護(hù)成本非常高，這對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和可靠性等方面提出了更高的要求.因此，需在風(fēng)力機(jī)安裝之前，對(duì)聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析.

國(guó)內(nèi)外關(guān)于垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究較少，蘇永清等[5]提出一種基于振動(dòng)速度補(bǔ)償反饋的PID風(fēng)機(jī)獨(dú)立變槳控制方法，該方法不僅能夠保障風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定輸出功率，也可以有效減小了槳葉的振動(dòng)速度及振動(dòng)位移差，從而減小了槳葉對(duì)風(fēng)力機(jī)塔身造成的疲勞載荷，提高了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)了風(fēng)力機(jī)的使用壽命.FENG等[6]設(shè)計(jì)了一種升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，并通過ANSYS有限元進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的可靠性，為風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考.然而，對(duì)于聚風(fēng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特性分析還未見報(bào)道.

文中在前期研究的基礎(chǔ)上，以面向西藏地區(qū)應(yīng)用的額定功率為500 W的聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)為對(duì)象，以高寒高海拔地區(qū)的氣象參數(shù)為約束條件，對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析和整機(jī)模態(tài)分析，以確保該型風(fēng)力機(jī)強(qiáng)度滿足要求，運(yùn)行安全可靠.研究結(jié)果可為聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在西藏高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 風(fēng)力機(jī)基本結(jié)構(gòu)

1.1 三維模型

聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪上下兩端各加裝了B樣條曲線結(jié)構(gòu)圓臺(tái)型聚風(fēng)罩，再配裝發(fā)電機(jī)、支撐臂、法蘭、支柱等部件，安裝于柱形塔筒上，組成風(fēng)力機(jī)模型.風(fēng)力機(jī)模型如圖1所示.

圖1 聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)模型

1.2 基本參數(shù)

500 W聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件指風(fēng)輪葉片、支撐臂、法蘭盤、主軸、聚風(fēng)罩和塔筒.在風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)特性要求的結(jié)構(gòu)部件，連接支撐整個(gè)風(fēng)輪，確保風(fēng)輪安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-8].依據(jù)經(jīng)驗(yàn)[6]和風(fēng)力機(jī)安裝地區(qū)的氣象條件，該型風(fēng)輪氣動(dòng)參數(shù)及主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)選?。侯~定功率P=500 W，額定風(fēng)速v=12 m/s，額定轉(zhuǎn)速n=150 r/min，風(fēng)輪直徑d=1 400 mm，葉片數(shù)目N=5 個(gè)，葉片弦長(zhǎng)c=225 mm，葉片翼型為NACA非對(duì)稱翼型，葉片高度hb=1 600 mm，葉片質(zhì)量mb=4.76 kg，支撐臂質(zhì)量mbeam=5.8 kg，主軸質(zhì)量ma=1.0 kg，法蘭盤質(zhì)量mfp=10.0 kg，聚風(fēng)罩?jǐn)?shù)目Nwgd=2 個(gè)，聚風(fēng)罩高度hwgd=150 mm，聚風(fēng)罩線型為B樣條，上聚風(fēng)罩質(zhì)量mup,wgd=32.5 kg，下聚風(fēng)罩質(zhì)量mdown,wgd=31.8 kg，塔筒質(zhì)量mt=365.0 kg.

HAMEED等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)葉片主要受到離心力載荷作用會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形.由于玻璃鋼材料具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，該風(fēng)力機(jī)選用玻璃鋼葉片材料.為保證強(qiáng)度和硬度，同時(shí)減輕葉片質(zhì)量，將葉片內(nèi)部掏空，在內(nèi)部設(shè)置2個(gè)腹板，起支撐加固作用.

風(fēng)輪支撐臂一端與法蘭盤固定，另一端用于固定安裝葉片，由于葉片在運(yùn)行中將對(duì)支撐臂產(chǎn)生較大的離心力，受力情況復(fù)雜，且支撐臂又是固定葉片的重要媒介，其高抗拉、抗壓強(qiáng)度要求就顯得尤為重要.因此支撐臂材質(zhì)采用Q235鋼板折彎對(duì)合，保證其強(qiáng)度和剛度.

主軸下端連接機(jī)艙，上端連接用于固定橫梁的法蘭盤，材質(zhì)選用40Cr，并設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu).

法蘭盤與主軸通過鍵槽固定，主要起到固定支撐臂，連接支撐臂與主軸的作用，材質(zhì)選用Q235厚鋼板.

聚風(fēng)罩是聚風(fēng)型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的重要部件，為保證其實(shí)現(xiàn)獲得更多風(fēng)能的要求，其內(nèi)側(cè)導(dǎo)流面需要嚴(yán)格符合B樣條曲線，且不能大幅增加風(fēng)輪質(zhì)量，因此材質(zhì)優(yōu)選韌性好、質(zhì)量輕、易造型的復(fù)合材料.下聚風(fēng)罩和上聚風(fēng)罩對(duì)向安裝在塔筒法蘭上，并通過5根支柱連接支撐，由于發(fā)電機(jī)及主軸安裝位置的需要，下聚風(fēng)罩需要開孔，因此上下聚風(fēng)罩具有一定差異.聚風(fēng)罩材料選用玻璃鋼.結(jié)構(gòu)模型示意如圖2所示.

風(fēng)力機(jī)塔筒起著支撐和固定機(jī)艙、風(fēng)輪的作用.如果塔筒結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痫L(fēng)輪的脫落.由于無(wú)縫鋼管制造而成的塔筒具有設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、安裝和維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn).因此，聚風(fēng)型風(fēng)力機(jī)塔筒根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用壁厚8 mm Q235無(wú)縫鋼管基材制造，通過焊接于底座法蘭固定于地基上.

圖2 聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)模型

2 力學(xué)特性分析方法

2.1 有限元法

首先需要對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行離散化處理，然后用形成的單元集合體來替代原有結(jié)構(gòu)模型，再選用位移函數(shù)計(jì)算出單元體內(nèi)的應(yīng)力及應(yīng)變，最后得到整個(gè)模型結(jié)構(gòu)的平衡方程[10]，進(jìn)而計(jì)算出模型應(yīng)力和位移.

位移函數(shù)計(jì)算式為

u=Nδe，

(1)

式中：u為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移向量；N為形函數(shù)；δe為單元節(jié)點(diǎn)位移向量.

單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算式為

ε=Bδe,

(2)

σ=Dε=DBδe=Sδe,

(3)

式中：σ為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；ε為節(jié)點(diǎn)應(yīng)變；B為應(yīng)變矩陣；S為應(yīng)力矩陣.

單元力學(xué)特性計(jì)算式為

Keδe=fe,

(4)

式中：Ke為單元?jiǎng)偠染仃?；fe為等效結(jié)點(diǎn)力.

整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程為

Kδ=f.

(5)

在設(shè)定結(jié)構(gòu)模型的邊界條件下，利用式(5)即可解出該結(jié)構(gòu)的位移δ，然后利用單元特性計(jì)算單元應(yīng)力f.

2.2 載荷計(jì)算模型

風(fēng)輪主要構(gòu)件受到重力載荷計(jì)算式為

G=mg,

(6)

式中：G為主要構(gòu)件重力，N；m為主要構(gòu)件質(zhì)量，kg；g為重力加速度，g=9.79 m/s2.

在額定轉(zhuǎn)速下繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生離心力載荷計(jì)算式為

F=mrω2,

(7)

在額定風(fēng)速下受到的氣動(dòng)載荷計(jì)算式[11]為

(8)

式中：p為氣動(dòng)載荷，Pa；ρ為空氣密度，ρ取海拔5 000 m平均空氣密度0.736 6 kg/m3；v為額定風(fēng)速，12 m/s.

在額定功率下的轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為

(9)

式中：T為轉(zhuǎn)矩，N·m；P為風(fēng)輪額定輸出功率，0.5 kW.

風(fēng)輪水平軸向推力計(jì)算式[12]為

(10)

式中：F1為風(fēng)輪水平軸向推力，N.

2.3 模態(tài)分析方法

風(fēng)力機(jī)在自然風(fēng)條件下運(yùn)行時(shí)，受力情況復(fù)雜多變，葉片與來流相互作用會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使葉片出現(xiàn)疲勞問題，減損壽命，甚至可導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片斷裂飛出，發(fā)生損壞.文中通過模態(tài)分析，計(jì)算風(fēng)輪振型和固有頻率可確定風(fēng)輪結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，在設(shè)計(jì)中避免葉片自振頻率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速頻率重合產(chǎn)生共振問題[13].

由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)恿Ψ匠蘙14]為

Ma+Cv+Ks=F(t),

(11)

式中：M為質(zhì)量矩陣；a為加速度矢量；C為阻尼矩陣；v為速度矢量；K為剛度矩陣；s為位移矢量；F(t)為外力矢量.

當(dāng)系統(tǒng)無(wú)外部約束或激振力時(shí)，則外力矢量為0，即F(t)=0.且工程分析結(jié)構(gòu)固有屬性時(shí)，通常忽略阻尼作用.將式(11)簡(jiǎn)化為

Ma+Ks=0,

(12)

解析式為

a=Xsinωt,

(13)

式中：X為振型；ω為固有頻率；t為時(shí)間.

將式(13)代入式(12)得

(K-ω2M)X=0,

(14)

若令λ=ω2，使式(14)存在非零解，則

det(K-λM)=0,

(15)

解該特征方程式，即可得到n個(gè)特征值λi和模態(tài)形狀X，將特征值λi求解即可得到多階固有頻率ωi.

3 靜力學(xué)分析

3.1 葉 片

在ANSYS軟件中的具體材料參數(shù)設(shè)置如表1所示，表中E為彈性模量，[δ]為屈服極限，A為許用應(yīng)力.

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)選用材料屬性

葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，主要受到葉片自身重力載荷，繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的離心力載荷以及風(fēng)吹過葉片而引起的氣動(dòng)載荷.額定轉(zhuǎn)速下葉片的計(jì)算載荷:自身重力為46.6 N，離心力為821.3 N，氣動(dòng)載荷為53.0 Pa.

應(yīng)用ANSYS有限元分析，在不改變結(jié)構(gòu)模型特性的前提下，將結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而可有效提高計(jì)算速度.將葉片上的孔簡(jiǎn)化，網(wǎng)格劃分類型選擇四面體網(wǎng)格，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸以及對(duì)尺寸較小的面進(jìn)行局部加密后自動(dòng)生成網(wǎng)格，劃分完網(wǎng)格后的葉片模型所具有211 623個(gè)單元，413 021個(gè)節(jié)點(diǎn).在葉片與支撐臂連接孔處添加固定約束代表支撐；風(fēng)吹過葉片而引起氣動(dòng)載荷，以壓力載荷的形式施加于葉片迎風(fēng)面；葉片自重，施加重力加速度；葉片離心力，以主軸為旋轉(zhuǎn)軸施加慣性載荷里的旋轉(zhuǎn)速度.額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，葉片位移變形和應(yīng)力分布如圖3所示.

圖3 葉片靜力學(xué)分析云圖

由圖3a分析可知，葉片位移變形上下對(duì)稱，最大位移變形產(chǎn)生在葉片葉尖處，最大位移為0.19 mm，葉片的變形趨勢(shì)為葉尖部分位移變形最大，逐漸向內(nèi)變小，直至葉片的固定孔處變?yōu)樽钚?，后又向?nèi)逐漸變大，直至葉片中間部分達(dá)到一個(gè)較大值，該變形量對(duì)葉片的形狀及氣特性影響微小，因此滿足設(shè)計(jì)要求；圖3b分析可知，葉片的最大應(yīng)力發(fā)生于葉片與支撐臂的連接孔處，最大應(yīng)力為11.96 MPa，由連接孔向外，應(yīng)力逐漸變小.

葉片強(qiáng)度校核公式為

(16)

式中：δmax為最大應(yīng)力，MPa； [δ]為材料的屈服極限，450 MPa；S為安全系數(shù)，1.5.

計(jì)算可得，δmax=11.96 MPa<300.00 MPa，葉片所受到最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其能承受的最大應(yīng)力.因此，葉片在額定轉(zhuǎn)速下強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

3.2 支撐臂

支撐臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，主要受到自身重力載荷、支撐臂繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的離心力載荷、葉片重力對(duì)支撐臂造成的壓力載荷、牽引于葉片離心力載荷的牽引力以及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩載荷.由于1個(gè)葉片由2個(gè)支撐臂共同承擔(dān)，故單個(gè)支撐臂受到一半的葉片重力及葉片離心力；整個(gè)風(fēng)輪由10個(gè)支撐臂共同承擔(dān)，故單個(gè)支撐臂受到十分之一的葉片轉(zhuǎn)矩.在額定轉(zhuǎn)速下支撐臂的計(jì)算載荷：自身重力為56.8 N，自身離心力為1 000.7 N，葉片重力為23.3 N，葉片離心力為410.6 N，葉片轉(zhuǎn)矩為3.2 N·m.

將支撐臂和葉片之間存在的葉片連接裝置以及支撐臂和法蘭盤的固定孔進(jìn)行簡(jiǎn)化.并在網(wǎng)格劃分前，對(duì)尺寸較小的面進(jìn)行局部加密，對(duì)支撐臂自動(dòng)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后得到支撐臂的有限元模型具有67 389個(gè)單元，106 775個(gè)節(jié)點(diǎn).將支撐臂通過法蘭盤與主軸固定的下端面施加x,y,z方向上的位移自由度全約束；將支撐臂通過葉片固定套筒與葉片固定的上端面固定孔通過圓柱面進(jìn)行約束；支撐臂自重，施加重力加速度；支撐臂離心力，以主軸為旋轉(zhuǎn)軸施加慣性載荷里的旋轉(zhuǎn)速度；施加葉片重力載荷；施加葉片的離心力載荷；施加葉片作用于支撐臂的轉(zhuǎn)矩載荷.額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)支撐臂的位移變形和應(yīng)力分布如圖4所示.

由圖4a分析可知，支撐臂的最大位移變形發(fā)生于支撐臂中間部分，最大位移變形量為0.25 mm，由中間部分向外位移變形量逐漸變小，直至支撐臂固定端變?yōu)樽钚。挥蓤D4b分析可知，支撐臂的最大應(yīng)力發(fā)生于支撐臂上端與葉片固定套筒的圓孔處，最大應(yīng)力為25.63 MPa，在其焊接部分又出現(xiàn)一處較大應(yīng)力，其余部分受到應(yīng)力較小，因此，需要在支撐臂焊接處進(jìn)行加固，增加支撐臂的穩(wěn)定性.

圖4 支撐臂靜力學(xué)分析云圖

由式(16)計(jì)算可知，δmax=25.63 MPa<156.67 MPa，支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在額定轉(zhuǎn)速下強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

3.3 主 軸

主軸主要受到自身重力載荷、法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩載荷以及風(fēng)輪對(duì)主軸的壓力載荷等.主軸計(jì)算載荷：自身重力為9.8 N，風(fēng)輪重力為810.6 N，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩為31.8 N·m.

為了節(jié)省計(jì)算資源，簡(jiǎn)化主軸鍵槽、螺紋結(jié)構(gòu)，對(duì)主軸自動(dòng)生成網(wǎng)格，得到主軸有限元模型具有90 813個(gè)單元，135 760個(gè)節(jié)點(diǎn).主軸底端和發(fā)電機(jī)連接，將主軸下端面施加x,y,z方向上的位移自由度全約束；主軸自重，施加重力加速度；施加風(fēng)輪作用于主軸的壓力載荷；施加風(fēng)輪作用于主軸的轉(zhuǎn)矩載荷.加載完成后開始進(jìn)行求解計(jì)算，位移變形和應(yīng)力分布如圖5所示.

圖5 主軸靜力學(xué)分析云圖

由圖5a分析可知，主軸的最大位移變形發(fā)生于主軸頂端邊緣部分，最大位移變形量為0.013 mm，由最大位移變量處向下逐漸變小，直至主軸的底端變?yōu)樽钚?；由圖5b分析可知，主軸的最大應(yīng)力發(fā)生于主軸的底端，最大應(yīng)力為11.70 MPa，從底端向上逐漸變小，直至主軸的頂端變?yōu)樽钚?由式(16)計(jì)算可知，δmax=11.70 MPa<266.67 MPa，主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在額定轉(zhuǎn)速下強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

3.4 法蘭盤

法蘭盤主要受到自身重力載荷、風(fēng)輪對(duì)法蘭盤的壓力載荷以及風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩載荷.法蘭盤計(jì)算載荷：自身重力為97.9 N，風(fēng)輪重力為810.6 N，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩為31.8 N·m.

法蘭盤網(wǎng)格類型采用帶節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格，采用自動(dòng)劃分的方式自動(dòng)生成網(wǎng)格，得到法蘭盤的有限元模型具有341 767個(gè)單元，511 182個(gè)節(jié)點(diǎn).法蘭盤固定孔固定于主軸之上，將法蘭盤固定孔面施加x,y,z方向上的位移自由度全約束；法蘭盤自重，施加重力加速度；施加風(fēng)輪的壓力載荷；施加風(fēng)輪作用于法蘭盤的轉(zhuǎn)矩載荷.加載完成后開始進(jìn)行求解計(jì)算，位移變形和應(yīng)力分布如圖6所示.

圖6 法蘭盤靜力學(xué)分析云圖

由圖6a可知，法蘭盤的最大位移變形發(fā)生于法蘭盤外邊緣，最大位移變形量為0.005 6 mm，并由外邊緣向內(nèi)逐漸變小，直至法蘭盤中心部分降至最?。挥蓤D6b可知，法蘭盤的最大應(yīng)力發(fā)生于法蘭盤突出柱與法蘭盤平面的焊接處，最大應(yīng)力為6.10 MPa，并由內(nèi)向外，應(yīng)力逐漸減小.因此，需在法蘭盤焊接處進(jìn)行加固，增加法蘭盤的穩(wěn)定性.

由式(16)計(jì)算可知，δmax=6.10 MPa<156.67 MPa，法蘭盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在額定轉(zhuǎn)速下強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

3.5 聚風(fēng)罩

聚風(fēng)罩起到聚風(fēng)的作用，固定于風(fēng)輪上下，主要受到自身的重力載荷以及風(fēng)吹過聚風(fēng)罩帶來的氣動(dòng)載荷等.聚風(fēng)罩計(jì)算載荷：上、下聚風(fēng)罩的自身重力分別為318.2，311.3 N；氣動(dòng)載荷分別為53.0，53.0 Pa.

對(duì)聚風(fēng)罩自動(dòng)生成網(wǎng)格，得到上聚風(fēng)罩的有限元模型具有的233 043個(gè)單元，468 728個(gè)節(jié)點(diǎn)；下聚風(fēng)罩的有限元模型具有的476 650個(gè)單元，899 238個(gè)節(jié)點(diǎn).對(duì)上聚風(fēng)罩頂端面、下聚風(fēng)罩底端面施加x,y,z方向上的位移自由度全約束；聚風(fēng)罩自重，施加重力加速度；風(fēng)吹過聚風(fēng)罩引起氣動(dòng)載荷，以壓力載荷的形式施加于上聚風(fēng)罩的迎風(fēng)面.加載完成后開始進(jìn)行求解計(jì)算，位移變形和應(yīng)力分布如圖7所示.

由圖7a分析可知，上聚風(fēng)罩的最大位移變形發(fā)生于上聚風(fēng)罩的底端中心處，其整個(gè)底端向外凸，最大位移變形量為0.63 mm，并由中心部分向外逐漸變小，側(cè)面部分位移變形量整體較?。挥蓤D7b分析可知，上聚風(fēng)罩的最大應(yīng)力發(fā)生于底端的拐角處，最大應(yīng)力為4.68 MPa，并由此處沿著側(cè)面應(yīng)力分布先變大后變小，在底端面由外邊緣向中心先變小后變大；由圖7c分析可知，下聚風(fēng)罩的最大位移變形發(fā)生于頂端中心處，其整個(gè)頂端向內(nèi)凹，最大位移變形量為1.20 mm，并由中心部分向外逐漸變小，側(cè)面部分位移變形量較??；由圖7d分析可知，下聚風(fēng)罩的最大應(yīng)力發(fā)生于下聚風(fēng)罩下端的頂端中心處，最大應(yīng)力為2.11 MPa，并由此處在頂端部分由內(nèi)向外先減小后增大，在側(cè)面部分應(yīng)力分布逐漸變小.由式(16)計(jì)算可知，上聚風(fēng)罩δmax=4.68 MPa，下聚風(fēng)罩δmax=2.11 MPa，都在其所能承受的最大載荷之內(nèi)，聚風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求.

圖7 聚風(fēng)罩靜力學(xué)分析云圖

3.6 塔 筒

塔筒固定于地面之上起到支撐整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用.塔筒主要受到自身的重力載荷、整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壓力載荷和轉(zhuǎn)矩載荷、風(fēng)輪水平軸向推力載荷以及風(fēng)吹過塔筒引起的氣動(dòng)載荷.塔筒計(jì)算載荷：自身重力為3 573.4 N，風(fēng)力發(fā)電機(jī)重力為3 000.0 N，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩為31.8 N·m，水平軸向推力為72.5 N，氣動(dòng)載為53.0 Pa.

對(duì)塔筒自動(dòng)生成網(wǎng)格，得到塔筒的有限元模型具有的347 864個(gè)單元，668 511個(gè)節(jié)點(diǎn).塔筒底端固定于地面之上，在此面施加x,y,z方向上的位移自由度全約束；塔筒自重，施加重力加速度；風(fēng)力發(fā)電機(jī)重力，施加壓力載荷；水平軸向推力，施加壓力載荷于塔筒的軸向；風(fēng)吹過塔筒而引起氣動(dòng)載荷，以壓力載荷的形式施加于塔筒的迎風(fēng)面.求解計(jì)算得到位移變形和應(yīng)力分布如圖8所示.

圖8 塔筒靜力學(xué)分析云圖

由圖8a分析可知，塔筒的最大位移變形發(fā)生于塔筒頂端，最大位移變形為0.05 mm，并由頂端到塔筒根部逐漸減小.由圖8b分析可知，塔筒最大應(yīng)力2.28 MPa，從塔筒根部焊接處沿塔筒逐漸變小.

由式(16)計(jì)算可知，δmax=2.28 MPa<266.67 MPa，塔筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

4 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

進(jìn)行葉片模態(tài)分析時(shí)，只需對(duì)風(fēng)輪的主軸下端面施加位移自由度全約束即可，前六階模態(tài)固有頻率fi如表2所示，前六階模態(tài)振型如圖9所示.

表2 風(fēng)輪前六階模態(tài)固有頻率

由圖9分析可知，風(fēng)輪的機(jī)身發(fā)生微小形變至忽略不計(jì)，前六階模態(tài)下，最大變形發(fā)生于葉尖處，其變形數(shù)值也較小，基本不會(huì)發(fā)生較大的變形影響.

風(fēng)輪工作頻率為

(17)

(18)

式中：f為風(fēng)輪1P頻率，Hz；n為風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速，150 r/min.

計(jì)算得風(fēng)輪工作頻率f=2.5 Hz.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)滿足式(18)時(shí)，風(fēng)輪將不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象.風(fēng)輪固有頻率與工作頻率對(duì)比結(jié)果如表3所示,表中R為相對(duì)差.

圖9 風(fēng)輪前六階模態(tài)振型

表3 風(fēng)輪固有頻率與工作頻率對(duì)比

由表3分析可知，在額定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其固有頻率，因此該風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在安全區(qū)之內(nèi)，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，安全可靠.

5 結(jié) 論

1) 基于ANSYS有限元分析軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析表明，葉片、主軸、支撐臂、法蘭盤、上下聚風(fēng)罩和塔筒等主要結(jié)構(gòu)部件的最大位移形變均在材料所能承受的強(qiáng)度范圍之內(nèi)，影響可以忽略不計(jì).

2) 對(duì)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪進(jìn)行了模態(tài)分析，求解得到其在轉(zhuǎn)動(dòng)工況下的前六階固有頻率和相對(duì)應(yīng)的振型，通過分析振型以及對(duì)比固有頻率可得，風(fēng)輪的工作頻率2.50 Hz遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其一階固有頻率9.22 Hz，可判定風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)安全可靠.