杜鵬程

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

基于CFX的小型風(fēng)力機(jī)葉根應(yīng)力分析

杜鵬程

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行于隨機(jī)波動(dòng)較大的自然環(huán)境中，受力情況非常復(fù)雜，葉片作為風(fēng)力機(jī)上最容易破壞的部件，斷裂現(xiàn)象頻現(xiàn)。本文基于ANSYS數(shù)值模擬分析軟件中的CFX模塊，對(duì)小型風(fēng)力機(jī)的葉根部位的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)沿著弦線方向葉根部位等效應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在約為弦線中間部位，前緣和后緣的等效應(yīng)力值較小。為分析和判斷葉片裂紋、預(yù)測(cè)損壞部位提供理論依據(jù)。

數(shù)值模擬 葉根應(yīng)力集中區(qū) 應(yīng)力狀態(tài)分析

引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過風(fēng)輪葉片攝取風(fēng)能，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行于隨機(jī)變動(dòng)較大的環(huán)境中，受力情況非常復(fù)雜。葉片作為風(fēng)力機(jī)的主要承載部件，幾乎所有力都要通過葉片傳遞出去，使葉片成為風(fēng)力機(jī)上最易被破壞的部件，葉片斷裂現(xiàn)象頻現(xiàn)。因此，研究風(fēng)力機(jī)葉片在承受交變動(dòng)應(yīng)力作用下的應(yīng)變分布規(guī)律，保證風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要的意義。

風(fēng)力機(jī)葉片載荷及應(yīng)力分布的研究大多采用有限元分析或仿真的方法。A.Gangele等人對(duì)不同幾何尺寸及材料的S809翼型的風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了模態(tài)分析，通過計(jì)算得到了葉片的振動(dòng)頻率及振型[1]。Kucuk， Mumin等[2]利用ANSYS軟件分析了某款400W風(fēng)力機(jī)合金材料連接的葉片根部應(yīng)力特性。國(guó)防科技大學(xué)周鵬展等[3]基于ANSYS軟件對(duì)某款1500KW大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片的應(yīng)力特征進(jìn)行了分析；

本文利用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行有限元分析，通過施加氣動(dòng)力，離心力載荷以及重力載荷的作用下，對(duì)等效應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供參考。

一、數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.葉片載荷理論

葉片上的載荷主要有空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性力載荷等，使葉片成為風(fēng)力機(jī)上最易被破壞的部件。

空力動(dòng)力載荷

空氣動(dòng)力載荷是空氣流經(jīng)葉片產(chǎn)生的，假設(shè)葉片處于穩(wěn)定的流場(chǎng)中，忽略葉片的錐角、俯仰角和偏航角等的影響，葉片上每個(gè)單位長(zhǎng)度的輪廓斷面的空氣動(dòng)力為分解為法向力Fn和切向力FL，然后對(duì)半徑積分可得出：

其中：Fn—法向力 N；FL—切向力 N；

V0—合成速度 m/s；ρ—空氣密度 Kg/m3；C—葉片弦長(zhǎng) m；CL—升力系數(shù)；Cd—阻力系數(shù)；φ—來流角。

重力載荷

葉片自重產(chǎn)生葉片的重力載荷，葉片旋轉(zhuǎn)在過程中，重力給葉片帶來一個(gè)正弦規(guī)律變化的載荷，其頻率對(duì)應(yīng)于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。

離心力載荷

風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，方向沿著葉片向外，隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，使葉片承受拉力。

本文的研究對(duì)象為課題組自行設(shè)計(jì)的加厚翼型，風(fēng)輪直徑為1.4m，額定輸出功率300W，額定來流風(fēng)速 8m/s，額定尖速比λ=5。該翼型最大弦長(zhǎng)位于沿葉片展向0.2R處為19 3.2mm，最大扭角為28.95°。采用Soildworks建模軟件進(jìn)行1：1建模，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中，為了更好地接近實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件以及載荷的施加，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，氣動(dòng)載荷通過CFX模塊進(jìn)行施加，離心力載荷用過改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的方式施加，重力載荷則通過實(shí)際重力方向施加。

2.結(jié)果分析

選取額定風(fēng)速8m/s，額定尖速比λ=5的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果如圖1所示：

圖1 等效應(yīng)力云圖

通過等效應(yīng)力云圖的結(jié)果可以看出等效應(yīng)力集中的區(qū)域出現(xiàn)在葉根部位，從云圖中可以看出，沿著葉片弦線方向等效應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，前緣和后緣點(diǎn)的位置等效應(yīng)力值最小，最大等效應(yīng)力只出現(xiàn)在最大弦長(zhǎng)的0.4-0.5C的位置。

接下來對(duì)葉根應(yīng)力集中位置進(jìn)行單獨(dú)分析，結(jié)果如圖2所示：

圖2 葉根等效應(yīng)力規(guī)律

通過對(duì)額定風(fēng)速下，尖速比從λ=4-6.5，進(jìn)行分析。選取4的測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值進(jìn)行分析，由圖表可以看出與云圖結(jié)果基本一致。

結(jié)語

隨著尖速比的增加，等效應(yīng)力值逐漸增大，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)從前緣到后緣先增大后減小的規(guī)律，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在0.4-0.5C的位置處。

[1]A.Gangele, S.Ahmed.Modal Analysis of S809 Wind Trubine Blade Considering Different Geometrical and Material Parameters[J].Journal of the Institution of Engineers.2013,94(3)：225-228.

[2]Kucuk Mumin，Cetin Numan S，Emeksiz Cem.et al.Stress Analysis of Shape Memory Alloys Used in Wind Turbine Blade Root Connection[J].Energy Education Science and Technology Part A： Energy Science and Research.2012, SPEC.ISS.1(30)：667-676

[3]周鵬展，曾竟成，肖加余等.大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)力特征分析[J].可再生能源,2009(5)：6-9