風電機組葉片疲勞加載試驗減阻尼器結構優化設計

文 | 樂韻斐，駱永云，劉宇

技術

風電機組葉片疲勞加載試驗減阻尼器結構優化設計

文 | 樂韻斐，駱永云，劉宇

風電機組葉片在非定常載荷作用下的運行特性使其易發生疲勞損壞，嚴重影響風電機組安全運行的可靠性及使用壽命。因此需要對新設計或改變的葉片進行疲勞加載試驗來考驗葉片強度，確保其使用壽命。風電機組葉片在疲勞加載試驗過程中受到的阻尼現象主要為氣動阻力、空氣慣性和粘彈性材料阻尼。風電機組葉片在振動時由于變形引起材料內部結構的摩擦產生的阻力即結構阻尼較小，由葉片在空氣中運動所受到的阻力即氣動阻尼對葉片振動能耗有較大影響。所以有效降低風電機組葉片氣動阻尼，對于減少試驗能耗，延長設備壽命具有重要意義。目前國內外對于該方面研究較少，大多數葉片疲勞試驗并沒有使用減阻尼器。本文建立多種結構形狀的減阻尼器模型，模擬在相同風電場作用下，以期得到阻力最小和能耗最少的減阻尼器結構形狀。

減阻尼器工作原理及建模仿真

通過改變減阻尼器表面形狀，改善與空氣相對運動狀況，減小試驗時空氣阻力的作用，減小葉片試驗能耗。在振動時，葉片尖部相對其他位置振幅和振動速度最大，受到空氣阻力較大。在葉片尖部安裝一定長度的減阻尼器能有效降低空氣動力載荷作用。帶減阻尼器葉片疲勞加載試驗模型如圖1所示。

在相同的外流場情況下不同形狀的減阻尼器受到的風阻大小不同，氣動阻尼不同，從而影響風電機組葉片疲勞加載試驗時的能耗。采用流場仿真的方法，對減阻尼器的外形進行合理設計是很有必要的。

一、FLUENT流場仿真

FLUENT 是一個用于模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動與傳熱現象的專用軟件，它提供了靈活的網格特性，可以支持多種網格。振動力學是低速空氣動力學，空氣密度變化小，可以忽略空氣壓縮的影響。因此把試驗葉片周圍流場看作是不可壓縮的?？諝庀鄬θ~片作低速流動，空氣的熱傳導系數很小，葉片對周圍流場的熱影響可忽略，因此，葉片周圍流場可視為恒溫場?？諝獾拿芏群苄。谀M葉片周圍流場時，流場中空氣的單位質量力可忽略。

為使仿真結果具有可比性，需保證減阻尼器迎風面積相同。外流場的體積至少保證是減阻尼器體積的5倍，因此設計長50000mm，寬20000mm，高20000mm的外流場，體積2×1013mm3。外壁設置為無窮遠壓力邊界，主要是讓空氣從遠處流過來，避免局部受力不均的影響。根據葉片振動葉尖部位振動平均速度，設置空氣流速17m/s，空氣一般湍流粘度比即湍流粘性比設置為10，溫度設置常溫，為300k。

圖1 疲勞試驗減阻尼器外形

表1 減阻尼器建模

設計相同迎風面積5×106mm2，投影面為1000mm×5000mm的長方形。

外流場計算精度要求不高，因此網格稀疏，單元網格尺寸為100mm左右。由于減阻尼器附近的氣流流動劇烈，與減阻尼器所受風阻密切相關，因此在減阻尼器周圍加密網格，單元網格尺寸為20mm左右。

二、減阻尼器設計

減阻尼器尺寸信息及外形如表1。箭頭表示風向，減阻尼器外形氣流向兩邊分散。

三、各形狀減阻尼器所受風阻對比

減阻尼比受力結果見表2。在四類減阻尼器中，直角面減阻尼器受到的阻力最大，橢圓柱面減阻尼器受到的阻力最小。空氣阻尼的大小關系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。由此可見在相同迎風面下的橢圓柱面受到空氣阻力最小，受到的空氣阻尼最小。但三棱柱面與橢圓柱面阻尼接近，有待進一步探討。

葉片振動減阻尼器模型能耗對比

一、動網格劃分

帶減阻尼器葉片模型的振動仿真需要使用FLUENT動網格模擬葉片做正弦運動，葉片的振動頻率、葉片的振幅通過實驗得到。使用FLUENT的UDF模擬葉片每點振動狀態，使其做以固有頻率振動的正弦運動。葉根固定，模擬懸臂梁振動，引起體網格的移動與變形，FLUENT通過體網格來計算空氣流體的流動狀態，從而計算出空氣對振動狀態的葉片起到的阻力作用。與此同時，對懸臂梁表面每點受力和其位移的積在一個周期內進行積分，從而獲得周期能耗。

動網格模型可用來模擬由于流體域邊界剛性運動或邊界變形引起的流體域形狀隨時間變化的流動問題。仿真模擬減阻尼器所受風阻影響時，需要有效地控制網格生成質量的同時保證邊界層收斂，因此使用block劃分結構化網格。因為葉片振動仿真需要局部重構和彈性光順法聯合使用，而局部重構只適用于三角形和四面體網格，葉片振動仿真只能劃分非結構化網格。

將建立的模型導入ICEMCFD劃分網格，外流場要求精度不高，葉片周圍流場計算精度要求較高。因此，為了提高計算效率，外流場網格節點可以劃分盡量少；為了提高計算精度，減小計算誤差，在葉片及減阻尼器附近加密網格。

二、仿真結果

裝載減阻尼器的葉片能耗見表3。

未考慮葉片振動時，空氣阻尼的大小關系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。把減阻尼器裝上葉片后，在相同情況下，一個周期內能耗比較關系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。裝載減阻尼器的葉片能耗與單獨減阻尼器風阻計算結果基本一致。由于葉片上裝載的減阻尼器與葉片在振動時周圍的氣流會相互影響，且各減阻尼器的形狀差別不大，因此和未考慮葉片振動時的空氣阻尼不盡一致。但較為明顯的是，無論是考慮葉片共振的情況還是未考慮葉片共振的情況下，橢圓柱面減阻尼器都很好地起到減阻的作用，大大降低了能耗。

表2 減阻尼比受力結果對比

表3 裝載減阻尼器的葉片能耗

表4 三棱柱形減阻尼器受力及能耗對比

表5 橢圓柱形減阻尼器受力及能耗對比

三、三棱柱減阻尼器

綜合上面結果，單獨設計4種三棱柱型減阻尼器模型，其受力及能耗結果見表4。

由仿真結果可知，第4種減阻尼器減阻節能效果最好，即當減阻尼器截面形狀為三角形時，頂角越小，即高與底邊比值越大，減阻節能效果越好。

四、橢圓柱面減阻尼器

綜合上面結果，單獨設計幾種橢圓柱面減阻器模型，其受力及能耗結果見表5。

由仿真結果可知道第5種橢圓柱面減阻尼器節能效果最好。當減阻尼器的截面尺寸在a＝500mm、b＝1000m的橢圓面比較節能。

結論

通過仿真分析，可以得到以下結論：

1.通過對不同形狀減阻尼器的阻力分析，得到橢圓柱面減阻尼器所受阻力最小。

2.通過對加載減阻尼器的葉片在振動狀態的阻力分析，并計算其能耗，得出能耗最低形狀為橢圓柱面減阻尼器。綜上，優化最優形狀為橢圓柱面減阻尼器。

3.由于不同尺寸葉片外形差異較大，葉片葉尖振動速度也不盡相同，相應模擬風電場流速也不一樣，因此減阻尼器設計還要結合實際試驗現場情況設計。

（作者單位：同濟大學機械與能源工程學院）

攝影：吳振華