基于UG的風(fēng)電葉片三維建模研究

曾明伍 趙 萍 鐘賢和

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

基于UG的風(fēng)電葉片三維建模研究

曾明伍 趙 萍 鐘賢和

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

作為葉片三維CFD分析、 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和葉片模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 必須建立葉片的三維模型。 文章提出了風(fēng)電葉片的一種三維建模方法， 首先介紹了如何合理選取翼型和設(shè)計(jì)后緣型線， 利用 Excel軟件將翼型坐標(biāo)點(diǎn)變換為葉片各個截面的三維空間坐標(biāo)，最后運(yùn)用UG強(qiáng)大的三維曲面建模功能建立葉片幾何外形的復(fù)雜曲面。該方法縮短了建模周期，提高了葉片三維模型的準(zhǔn)確度，為更好地進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)分析等后續(xù)工作打下良好的基礎(chǔ)。文章最后還簡單介紹了基于葉片三維模型的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)人員提供幫助。

風(fēng)電葉片；翼型；三維建模；UG

0 引言

葉片是風(fēng)力機(jī)中最重要的部件，其良好的性能是保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)主要分為氣動設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣動設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)出葉片的主要幾何參數(shù)，保證葉片有良好的氣動性能， 如果要對葉片進(jìn)行三維 CFD 分析，就必須建立葉片三維模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)出葉片的詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，保證葉片的結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提是必須建立葉片的三維模型。另外由于風(fēng)電葉片屬于中空殼體結(jié)構(gòu)，需要在模具上分別制作上下兩半殼體，必須建立葉片的三維模型才能進(jìn)行葉片母模和模具設(shè)計(jì)。因此，建立葉片三維模型是葉片設(shè)計(jì)中不可或缺的重要組成部分，本文中葉片的三維模型指葉片幾何外形的三維模型。

1 葉片的主要參數(shù)

根據(jù)葉片的氣動分析結(jié)果，可以得到葉片的主要參數(shù)，包括弦長、扭角、相對厚度、變槳軸位置以及預(yù)彎等 （見表1）。

表1 某葉片的主要參數(shù)

2 獲取原始翼型坐標(biāo)

2.1 翼型的選取

風(fēng)電葉片的幾何外形基于一定的翼型族進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常選取同一系列翼型族中相對厚度為18%、 21%、 25%、 30%、 35%、 40%的 6 個翼型作為葉片幾何外形設(shè)計(jì)的原始翼型，葉根段采用相對厚度為 100%的圓柱， 通過線性插值得到各原始翼型之間的截面數(shù)據(jù)。 但是由于 40%厚度截面與葉根圓柱段一般相距 10m 以上， 二者插值后得到的截面后緣為圓弧，外形不美觀。因此，增加相對厚度為 60%和 80%的 2 個原始翼型， 這樣能減小翼型段與葉根圓柱段的過渡距離，從而保證葉根段后緣更好地光滑過渡。

2.2 翼型后緣加厚

理論的原始翼型后緣一般為一個尖點(diǎn)，為了滿足葉片的強(qiáng)度和工藝要求，必須將原始翼型后緣加厚， 如圖1 所示。 一般對后緣 1/3 弦長段進(jìn)行加厚處理，加厚區(qū)域的型線必須保證與原非加厚區(qū)域型線光滑過渡。 可以將加厚量的 30%放在吸力側(cè)， 70%放在壓力側(cè)， 也可以兩邊平分， 一般選用后者。

圖1 翼型加厚示意圖

2.3 后緣型線處理

2.3.1 傳統(tǒng)處理方法

圖2 后緣型線傳統(tǒng)處理方法

由于葉片三維模型要用于后期的母模和模具設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)出的原始翼型型線必須考慮有利于后期的模具設(shè)計(jì)，其中主要就是對原始翼型后緣型線的處理。傳統(tǒng)的翼型后緣型線處理方法，后緣線與弦線垂直， 見圖2 （a）， 弦線水平時后緣線位于豎直方向。 但是葉片各個截面一般有 0～15°左右不等的扭角， 假定扭角為 10°， 那么后緣線與豎直方向 （脫模方向） 就有 10°的夾角， 見圖2（b）， 此時 PS 側(cè)殼體在模具上無法沿圖示的脫模方向脫模。 必須將分模后的PS側(cè)后緣線進(jìn)行二次處理， 旋轉(zhuǎn)一定的角度， 見圖2 （c）， 保證圖中的α 角大于 0°， PS 側(cè)殼體才能順利脫模。 由于根據(jù)原始翼型生成的截面 （見 3.1 節(jié)）， 一般有 50 個以上，對每個截面進(jìn)行處理工作量相當(dāng)大；就算是對選取的8個原始翼型進(jìn)行處理，但是后緣線會增加為2段，由于葉片是扭曲的，依然會增大后期計(jì)算各截面坐標(biāo)的難度。

2.3.2 新方法

本文提出一種新的后緣線處理方法，讓后緣線與兩側(cè)殼體截面型線基本垂直，弦線與后緣線的中點(diǎn)相交 （見圖3）， 這樣在弦線水平無扭角狀態(tài)時， 后緣線與豎直方向有一定的夾角 α。 如果該截面的扭角為 β， 見圖3 （b）， 分模位置為后緣線與 SS側(cè)型線的交點(diǎn)， 后緣線與豎直方向的夾角為 α-β， 只要保證該夾角大于 0， 葉片就能沿圖示方向脫模，該方法也避免了對根據(jù)原始翼型得到的各截面進(jìn)行二次處理，節(jié)約了時間。選取原始翼型的α角時，根據(jù)葉片的相對厚度分布和扭角分布即可確定α角，保證α角大于該翼型所在截面位置的扭角β。

圖3 后緣型線處理新方法

2.4 獲取翼型坐標(biāo)

翼型的后緣型線處理好以后，就可以得到完整的翼型幾何型線。以弦線為X軸，弦線的前緣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)， Y 軸指向SS側(cè)， 建立坐標(biāo)系， 見圖4。

圖4 翼型幾何外形坐標(biāo)

翼型的 SS 側(cè)和 PS 側(cè)型線一般都 50 個點(diǎn)左右，前緣和后緣較密，中間部分稀疏，按一定的分布規(guī)律劃分 X 坐標(biāo)， 見表2 某相對厚度 80%翼型的坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)X坐標(biāo)就可以獲取型線上對應(yīng)點(diǎn)的Y坐標(biāo)，在計(jì)算翼型坐標(biāo)時，假定弦長為1000， 注意 PS 和 SS 側(cè)型線的后緣終點(diǎn) X 坐標(biāo)不同。將數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，對生成的翼型曲線進(jìn)行曲率分析，保證型線光順。

表2 某相對厚度 80%翼型的坐標(biāo)

3 計(jì)算各截面坐標(biāo)

3.1 插值計(jì)算各截面的原始坐標(biāo)

為了保證葉片三維模型的質(zhì)量，一般葉根和葉尖段截面數(shù)較密， 間距最好不大于 0.5m， 葉中段可以讓截面數(shù)適當(dāng)減少，但是間距最好不大于1m， 總的截面數(shù)一般不少于 50。 根據(jù)前面獲取的8個原始翼型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及表1中葉片的相對厚度分布，就可以線性插值得到葉片各個截面的原始坐標(biāo)，此時各截面相對坐標(biāo)系的位置依然如圖4所示。

3.2 根據(jù)弦長放大坐標(biāo)

根據(jù)葉片弦長分布，將各截面的坐標(biāo)放大，即將各截面弦線的X、Y坐標(biāo)均乘以弦長得到新的型線坐標(biāo)， 見圖5。

圖5 根據(jù)弦長放大坐標(biāo)

3.3 根據(jù)變槳軸位置移動坐標(biāo)

根據(jù)葉片槳距軸位置分布，將各截面的變槳軸位置移到坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，即保持Y坐標(biāo)不變， 移動X坐標(biāo)， 見圖6。

圖6 根據(jù)槳距軸位置移動坐標(biāo)

3.4 根據(jù)扭角旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

根據(jù)葉片的扭角分布，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式（1）計(jì)算得到新的截面坐標(biāo)， 其中 α 為扭角， （x， y）坐標(biāo)為得到的新坐標(biāo)點(diǎn)， 見圖7。

圖7 根據(jù)扭角旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

3.5 根據(jù)預(yù)彎值移動坐標(biāo)

根據(jù)葉片的預(yù)彎值分布，沿著Y軸移動變槳軸位置點(diǎn)，移動距離等于預(yù)彎值，即保持X坐標(biāo)不變， 移動Y坐標(biāo)， 見圖8。

圖8 根據(jù)預(yù)彎值移動坐標(biāo)

4 建立葉片三維模型

4.1 各截面型線的繪制

以各截面的位置為Z坐標(biāo)，和上節(jié)得到的各截面 （X， Y） 坐標(biāo)一起便得到各截面的三維空間坐標(biāo) （X， Y， Z）， 利用坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立每個截面的dat文件， 并將其導(dǎo)入 UG 中， 得到各截面的樣條曲線， 見圖9 （a）。 對每個截面型線進(jìn)行曲率分析，如果型線不光順，重新修改原始翼型的數(shù)據(jù)點(diǎn)或修改葉片的主要參數(shù)分布，直到曲線光順。

4.2 建立葉片三維模型

通過UG曲線組命令和前面得到的各截面型線即可混合生成葉片的三維模型。由于葉片的幾何外形為復(fù)雜曲面，除了對各截面型線進(jìn)行曲率分析外，還要單獨(dú)為整個曲面進(jìn)行檢查，本文利用 UG 中的 “曲率梳” 和 “光影分析” 工具對曲面進(jìn)行分析檢查， 見圖9 （b）， 確保葉片的型面沿葉片展向和弦線方向均光滑。特別注意過渡大的葉根和葉尖區(qū)域，如果這些區(qū)域有不光順的地方，可以對曲面進(jìn)行修復(fù)， 必要時要重復(fù)第 2、 3節(jié)中所述步驟，重新計(jì)算各截面的坐標(biāo)點(diǎn)生成葉片的三維模型，直到葉片三維模型光順為止。

圖9 各截面型線

4.3 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片三維模型得到后，即可以設(shè)計(jì)出母模和模具型面，在模具型面上進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立葉片主要結(jié)構(gòu)部件如主梁帽、大梁等的簡化模型， 見圖10。 從簡化三維模型中， 可輕松測量主梁帽、大梁等部件的定位尺寸，用于后續(xù)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和葉片工藝設(shè)計(jì)。

在模具型面上還可以根據(jù)葉片鋪層結(jié)構(gòu)的厚度， 建立各種鋪層結(jié)構(gòu)如后緣UD、 蒙皮、 夾芯等的厚度等效模型，保證葉片兩半殼體合模后不會發(fā)生幾何干涉，為葉片工藝設(shè)計(jì)提供參考。比如建立后緣UD的厚度等效模型，可以根據(jù)每個截面的后緣厚度，得到后緣UD離后緣的距離以及層數(shù)，以及計(jì)算粘接寬度；根據(jù)建立葉尖區(qū)域蒙皮、夾芯的等效模型，可以計(jì)算出主梁帽、大梁、后緣 UD等沿葉片展向的終止位以及葉尖防雷部件安裝定位尺寸。

圖10 主梁帽、 大梁等的簡化三維模型

5 結(jié)語

葉片三維建模在葉片設(shè)計(jì)有著極其重要的地位，本文詳細(xì)介紹了葉片的三維建模過程。首先選定8個原始翼型并對翼型后緣加厚，提出了一種后緣型線處理的新方法，更有利于后期的模具設(shè)計(jì)和葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后根據(jù)得到的翼型坐標(biāo)點(diǎn)和葉片的主要參數(shù)分布計(jì)算葉片各截面坐標(biāo)，利用UG軟件的曲面建模功能建立葉片的三維模型。本文采用的方法成本低、簡單易學(xué)、通用性強(qiáng)， 其中所有步驟中坐標(biāo)點(diǎn)的求取均可在 Excel軟件中實(shí)現(xiàn)，大大縮短了葉片三維建模周期，為葉片三維CFD 分析和葉片結(jié)構(gòu)分析打下良好基礎(chǔ)。

文章最后還介紹了基于葉片三維模型的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立鋪層結(jié)構(gòu)的簡化厚度等效模型，可輕松測得葉片各組件的外形和定位尺寸，為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而提高了工作效率。

［1］ 槐 創(chuàng)鋒, 等.UG NX 7.0 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 從 入 門 到 精 通 ［M］.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2010

［2］ 武鑫,等.風(fēng)能技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社,2007

Study on 3D-m odeling forW ind Turbine Blade Based on UG

Zeng Mingwu,Zhao Ping,Zhong Xianhe
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

As the basis of 3D-CFD blade analysis,blade structure design and blademold design,the 3D-model of blademust be established.This paper propounds amethod of 3D-modeling for blade,firstly introduces how to choose the airfoil and design trailing edge profile reasonably,then uses excel software to transform the coordinate of airfoil into the 3D space coordinate,finally establishes the complex surface of blade geometry by using 3D surfacemodeling function of UG.Thismethod can shorten the cycle ofmodeling,improve the blade 3D model accuracy,and lay a good foundation for the blade structure analysis and so on.At last, this paper simp ly introduces the prelim inary structure design based on the blade 3D model,provides help for the blade design and process designers.

wind turbine blade,airfoil,3D-modeling,UG

曾明伍 （1983-）， 男， 工程師， 2006 年畢業(yè)于西安交通大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)， 主要從事風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)工作。