風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真研究

張光輝

(中色科技股份有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471003)

風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真研究

張光輝

(中色科技股份有限公司, 河南 洛陽(yáng)471003)

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象,采用動(dòng)量葉素理論計(jì)算葉片在不同風(fēng)速下的氣動(dòng)載荷,在三維軟件Solidworks中建立了葉片、輪轂、機(jī)艙和塔架等關(guān)鍵功能部件的三維模型,在Ansys中對(duì)葉片和塔架進(jìn)行柔性化處理,生成葉片和塔架的MNF文件,建立了風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵功能部件的ADAMS剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型.將計(jì)算的載荷均勻加載到風(fēng)力機(jī)組的葉片上,對(duì)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速由5m/s變化到25m/s的過(guò)程進(jìn)行仿真,得到葉片和塔架的振動(dòng)變形特性曲線.該仿真能夠很好地模擬風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)變形特性,為風(fēng)力機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真提供了一種可行的方法.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組; 動(dòng)量葉素理論; 剛?cè)狁詈? 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析; 仿真

0 前 言

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非線性流剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜.在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí),必須考慮葉片的幾何非線性和大變形運(yùn)動(dòng),機(jī)艙偏航過(guò)程的剛體運(yùn)動(dòng),塔架的彈性變形,以及復(fù)雜多變的氣動(dòng)載荷等因素的影響.水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片作為彈性體,在運(yùn)行過(guò)程中受到氣動(dòng)載荷、彈性力、離心力和重力的作用,這些力耦合在一起會(huì)引起不穩(wěn)定的振動(dòng),這種不穩(wěn)定振動(dòng)是導(dǎo)致葉片破壞的重要原因之一.因此,葉片的氣彈穩(wěn)定性問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn).在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中,塔架頂端會(huì)受到來(lái)自風(fēng)輪的周期性激勵(lì)和氣動(dòng)載荷的影響,這種激勵(lì)會(huì)引起塔架的前后振動(dòng),塔架的振動(dòng)和葉片的振動(dòng)耦合到一起,往往會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組的破壞.因此,研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)變形特性非常必要.本文建立了風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵功能部件的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,通過(guò)仿真得到葉片和塔架的振動(dòng)變形特性曲線,為風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真研究進(jìn)行了一次有益的探索.

1 葉片氣動(dòng)載荷計(jì)算

動(dòng)量葉素理論假設(shè)作用于葉素上的力僅和通過(guò)葉素掃過(guò)圓環(huán)的氣體的動(dòng)量變化有關(guān),可以通過(guò)用微元截面上入射合速度攻角的二維翼型特性計(jì)算得出.因此,可以假定鄰近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向干涉作用,忽略順葉片展向的速度分量和三維效應(yīng).在葉片的某一徑向位置上的氣流速度分量用風(fēng)速來(lái)表示,知道攻角和升、阻系數(shù)以及每個(gè)葉素上的軸、切向誘導(dǎo)因子,最終求出在一定風(fēng)速下作用在葉素上的氣動(dòng)載荷[1].

設(shè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為Ω、葉素弦長(zhǎng)為L(zhǎng),漿距角為β,考慮半徑r處展向長(zhǎng)度為δr的葉素,其切向速度為Ωr,相應(yīng)的尾流切向速度分量為α′Ωr,當(dāng)風(fēng)速v∞作用于其上時(shí),兩者形成的合成速度為:

(1)

式中:a為垂直風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的軸向氣流誘導(dǎo)因子;α′為切向氣流速度誘導(dǎo)因子.

葉素界面處氣流速度的幾何關(guān)系如圖1所示.

圖1 葉素界面處氣流速度的幾何關(guān)系Fig.1 Geometric relation of air velocity around blade element interface

氣流作用在葉素上產(chǎn)生的升力和阻力如圖2所示.當(dāng)氣流流經(jīng)翼型表面時(shí),將產(chǎn)生垂直于氣流方向的生力dFL和平行于氣流方向的阻力dFD.

作用在翼型表面的升力dFL和阻力dFD為:

(2)

(3)

式中:W為氣流對(duì)葉素的相對(duì)速度;ρ為空氣密度;L為距轉(zhuǎn)軸r處的翼型弦長(zhǎng);CL、CD分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù),該值有所選翼型決定.

圖2 作用在葉片上的升力和阻力Fig.2 Lift and drag upon blade

把風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面作為參考平面,將dFL和dFD分別投影到轉(zhuǎn)軸和圓周速度上如圖3所示.

圖3 葉素氣動(dòng)力的法向分量和切向分量Fig.3 Normal component and tangential component of blade aerodynamic force

作用在風(fēng)輪半徑r處,寬度為δr葉素上的氣動(dòng)力法向分量為

(4)

作用在風(fēng)輪半徑r處,寬度為δr葉素上的氣動(dòng)力切向分量為

(5)

為了計(jì)算葉素微元上的氣動(dòng)載荷,必須計(jì)算風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面中的軸向誘導(dǎo)因子α和切向誘導(dǎo)因子α′.α和α′可通過(guò)下面兩式迭代求得.

(6)

根據(jù)動(dòng)量葉素理論,將葉片模型沿展向分成12個(gè)葉素微元,在Matlab中編程計(jì)算得到葉片分別在風(fēng)速為5,10,15,20和25 m/s時(shí)受到的氣動(dòng)載荷.各種風(fēng)速下的氣動(dòng)載荷的大小和變化趨勢(shì)如圖4所示.

圖4 載荷大小和變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of magnitude of load and variation

2 風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵部件仿真模型的建立

2.1 風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵的三維建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由葉片、塔架、機(jī)艙和塔架等關(guān)鍵部件組成,本文選取了葉片的技術(shù)參數(shù),采用NACA系列翼型對(duì)葉片進(jìn)行建模,通過(guò)坐標(biāo)變換把翼型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)葉素截面的三維空間坐標(biāo),生成葉素截面曲線,然后沿導(dǎo)引線掃描生成葉片的三維實(shí)體模型,實(shí)現(xiàn)了葉片的精確建模[2].根據(jù)仿真的需要,對(duì)風(fēng)力機(jī)組的其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化,完成整機(jī)關(guān)鍵功能部件的三維模型的建模,在Solidworks裝配環(huán)境下進(jìn)行裝配,為后面的仿真打下了基礎(chǔ).圖5為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三維模型.

圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維模型Fig.5 Wind turbine’s 3D model

2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

把在Solidworks建立的三維模型通過(guò)接口導(dǎo)入到ADAMS中,通過(guò)添加材料屬性和約束建立風(fēng)力機(jī)組關(guān)鍵部件的多剛體動(dòng)力學(xué)模型.在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,葉片和塔架的變形比較大,需要對(duì)葉片和塔架進(jìn)行柔性化處理.因此,必須對(duì)葉片和塔架進(jìn)行模態(tài)分析,然后生成葉片和塔架的模態(tài)中性文件,最后導(dǎo)入到ADAMS中替換掉原剛體,進(jìn)行剛?cè)狁詈?才能進(jìn)行關(guān)鍵部件的柔性多體動(dòng)力學(xué)分析[3-4].

葉片和塔架的模態(tài)分析在有限元分析軟件Ansys中進(jìn)行,主要是求得葉片和塔架的各階固有頻率和振型,結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 葉片和塔架的固有頻率分析結(jié)果Tab.1 Analysis result of blade and nacelle’s natural frequency

將前面分析得到的葉片的塔架的MNF文件導(dǎo)入到ADAMS中,替換掉原剛體,最終生成的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示[5-8].

2.3 氣動(dòng)載荷的加載

前面計(jì)算得到的氣動(dòng)載荷僅僅是幾種不同風(fēng)速下的氣動(dòng)載荷.用STEP函數(shù)將載荷按風(fēng)速由5 m/s變化到25 m/s的過(guò)程均勻加載到葉片上,STEP函數(shù)為三次樣條曲線,這樣能夠比較理想地反應(yīng)葉片上氣動(dòng)載荷實(shí)際的變化過(guò)程[9].氣動(dòng)載荷加載后的模型如圖7所示.

圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling model

圖7 加載后的動(dòng)力學(xué)模型Fig.7 Dynamical model after reload

3 仿真結(jié)果分析

以上述建好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵功能部件剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為對(duì)象,在風(fēng)向恒定的情況下,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為16 r/min時(shí),對(duì)風(fēng)速?gòu)? m/s均勻變化到25 m/s的過(guò)程進(jìn)行仿真,得到葉片和塔架的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性的變化情況[10-11].仿真結(jié)果如圖8所示.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片和塔架都是柔性體,在運(yùn)行過(guò)程中,氣動(dòng)載荷、彈性力、重力和離心力之間相互耦合,因此變形過(guò)程是一個(gè)氣彈耦合過(guò)程,表現(xiàn)在葉片尖部和塔架頂部的變形是振蕩的. 由上面的仿真分析結(jié)果可以看出,在風(fēng)速逐漸增大的過(guò)程中,葉片尖部的振動(dòng)變形較大,葉片中部的振動(dòng)變形較小,塔架頂端的振動(dòng)變形相對(duì)更小.由于阻尼的存在,葉片尖部和中部的位移、速度和加速度是周期性衰減變化的,葉片尖部的變形量趨于穩(wěn)定值2.3 m,變形速度趨于0.5 m/s,變形加速度趨于20 m/s2;由于塔架本身的剛度較大,振動(dòng)變形相對(duì)葉片來(lái)說(shuō)是很小的,塔架頂端的變形趨于0.062 m,變形速度趨于0.04 m/s,變形加速度趨于0.27 m/s2;有葉片的最大變形可知,風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)與塔架發(fā)生干涉,這說(shuō)明整機(jī)的氣動(dòng)彈性是良好的.

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 Results of simulation

4 結(jié) 論

本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型為研究對(duì)象,對(duì)風(fēng)速由5～25 m/s的變化過(guò)程進(jìn)行了仿真,得到了葉片和塔架的振動(dòng)變形特性曲線,對(duì)風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)特性進(jìn)行了一次有益的探索,并得到以下結(jié)論:

(1) 葉片作為一個(gè)柔性體,在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,葉尖部位的位移、變形速度和加速度都是很大的,振動(dòng)變形過(guò)程比較劇烈.葉片的振動(dòng)變形過(guò)程是氣動(dòng)載荷、彈性力、重力和離心力相互耦合的結(jié)果.

(2) 由于風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面和豎直面有一定的夾角,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片的重力和氣動(dòng)載荷給塔架的頂部一個(gè)周期性的激勵(lì),因此塔架頂部的位移、速度和加速度也是周期性變化的.塔架本身的剛度較大,所以和葉片的振動(dòng)變形相比,塔架的振動(dòng)變形比較小.

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TheKinematicandDynamicSimulationofKeyFunctionalComponentsof

WTGSZHANGGuang-hui

(ChinaNonferrousMetalsProcessingTechnologyCo.,Ltd.,Luoyang471039,China)

In the article,the blade element momentum theory was used for the calculation of aerodynamic load of blade under the different wind velocities.A 3D model of key functional components such as blade,tower,hub and nacelle were modeled in Solidworks,the MNF files of blade and tower were gained in finite element analysis software after flexible processing,and the rigid-flexible multi-body dynamic model of the wind turbine’s key components was created in ADAMS.Through the simulation of the model under constant rotate speed,kinematic and dynamic curves were obtained while the wind speed rose from 5 m/s to 25 m/s.This simulation imitates the vibration performance ideally,which provides a feasible method for the virtual prototype simulation of wind turbines.

wind turbine; blade element momentum theory; rigid-flexible coupling; kinematic and dynamic analysis; simulation

2014-05-10

張光輝(1984-),男,工程師,主要從事有色金屬壓力加工設(shè)備的設(shè)計(jì)工作.E-mail:guanghui0379@163.com

TM315

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