風力機葉片的設(shè)計及振動特性分析

【摘 要】 本篇論文針對的機型是1.0MW水平軸風力發(fā)電機，對葉片進行優(yōu)化設(shè)計及振動特性分析，以氣動設(shè)計理論作為基礎(chǔ)，從風機的基本參數(shù)、葉尖速比、風輪直徑以及翼型插值等方面確定葉片的基本參數(shù)。本文根據(jù)葉素動量理論的相關(guān)知識，根據(jù)Wilson葉片設(shè)計方法確定風機葉片的幾何外形，以MATLAB軟件為計算工具，采用迭代算法計算葉片外形的各種參數(shù)，并修處理弦長、扭角等，得到優(yōu)化結(jié)果。通過對NACA4412翼型單元坐標進行旋轉(zhuǎn)和成比例放大轉(zhuǎn)換，獲得具有良好空氣動力學性能的風力機葉片的外形數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 風力機葉片 振動特性 葉素-動量理論 迭代算法 有限元分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.010

風能是氣流變動而生成的動能，沒有任何污染的可再生能源。根據(jù)多年記錄，在小于0.25s的時間里，風速一定能夠27m/s然變到37m/s。陣風為風力機創(chuàng)造了改變的氣動原因。風力不僅強弱改變，風電輪軸可對風有調(diào)向運動，進一步導致陀螺力矩，它應(yīng)用在葉片上是一種改變的慣性載荷。還有，相對大型風力機，葉片本身的重量也是無法忽略的負載，這個負載對轉(zhuǎn)動的葉片也是說變化就變化的。在相互方方面面條件的共同影響，風力機在運行的進程中，可能會表現(xiàn)出顫振，致使葉片損壞。對風輪葉片通過有限元考慮，分析工程機械的固有頻率和振型，進一步預(yù)算和理解其在外載荷情況下的結(jié)構(gòu)動力學特性，是非常必要的[1，2]。

5 總結(jié)

本文在變換了翼型截面空間坐標的同時，繪制了葉片各個截面的空間曲線。利用相關(guān)軟件對風機葉片進行了三維實體建模，通過模態(tài)分析，得到了葉片在零轉(zhuǎn)速下的前十階固有頻率及振型。根據(jù)得到的振型，可以清楚的看出優(yōu)化后葉片具有更強的抗扭振能力。通過模態(tài)分析可知，風力機葉片的主要振動型式為揮舞和擺振，第七階揮舞加上扭振，直至第十階振型，才能凸顯出扭轉(zhuǎn)振動的影響。通過對NACA4412翼型單元坐標進行旋轉(zhuǎn)和成比例放大轉(zhuǎn)換，獲得具有良好空氣動力學性能的風力機葉片的外形數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1] 祝振敏.兆瓦級風電機組振動分析及保護[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

[2] 張禮達，陳榮盛，張彥南等.風力機風輪葉片振動特性分析[J].電力科學與工程，2009， 25 （11）：24-27.

[3] 姚興佳，劉穎明，劉光德，邢作霞，鮑潔秋.大型風電機組振動分析和在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[J].沈陽工業(yè)大學學報，2007，29（6）627-632.

[4] Kendall David Arhur.Hinged Blade Model Dynamics for a Horizontal Axis Wind Turbine[D].Doctoral Thesis.University of Massachusetts Amherst，2003.

[5] Erich hau.wind turbine[M].Springer Berlin Heidelberg，2006.

[6] 王萌.風力機葉片的優(yōu)化設(shè)計及氣動特性分析[D].大連：大連交通大學，2013.

[7] 陳燕.兆瓦級風力發(fā)電機組振動特性分析[D].湖南，湖南大學動力機械及工程，2013.

[8] El-Chazly N.M..Static and dynamic analysis of wind turbine blades using the finite element method，Renewable Energy，1993，3（6-7）：705-724.

[9] 張宇.大型風力機葉片的振動分析與優(yōu)化設(shè)計[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2013.

[10] 吳英.TAC84振動測試儀幾個主要振動特征參數(shù)的設(shè)置[J].風力發(fā)電.2002（1）.

[11] Cheng-Huatong.Composite Wind Turbine Blades.The Doctor degree of Philosophy in Stanford University.

[12] Ryu J.Kim Sang Sup，Kim Sung Soo.Ageneral approach to stress stiffening effects on flexible multibody dynamic system[J].Mech StructMach，1994，22（2）：157-180.

[13] Wallrapp O.Linearized flexible multibody dynamic including geometric stiffening effects[J]. Mech Struct Mach，1991，19（3）：385-409.

項目：遼寧省教育廳項目（L2014521），沈陽工程學院教育教學研究項目（Y201415）

作者簡介

劉姝，女，遼寧凌源，講師，博士，主要從事風力發(fā)電技術(shù)研究。