水平軸風力機葉片力學性能數值模擬研究

黃忠文 黃昭 唐明哲

摘要：本文選取2KW小型水平軸風力發電機為研究對象，首先根據其實際運行工況確定風機葉片的各項參數，通過三維建模軟件建立風力機葉片的實體模型，然后使用CAE軟件對葉片進行額定工況下的力學仿真分析。研究其在額定風速下葉片表面的應力分布和位移情況，并校核葉片強度，結果表明葉片符合安全使用要求。

關鍵詞：風力發電機葉片;三維實體建模;力學仿真分析

中圖分類號：TM315? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）10-0000-00

0 引言

水平軸風力發電機是一種將風的動能轉化為機械能進行發電的設備，其主要包括風輪、機艙和塔架三大部分。葉片是風力發電機風輪的關鍵部件，葉片具有空氣動力學外形，葉片的氣動特性決定了風力發電機的風能利用效率，影響著風力機的發電效率[1]。風力機葉片表面形狀比較復雜，葉片參數（弦長、扭角、翼型、直徑）對風機氣動性能有著決定性作用，因此計算各截面的弦長和扭角是葉片設計和建模中的關鍵[2]。由于葉片葉根處對風力發電機功率貢獻較少，因此本文主要研究葉片0.3R至R處的截面參數，將葉片沿展向劃分8個截面，利用Wilson設計理論計算各截面弦長、扭角數據，然后對設計葉片進行三維建模與力學仿真分析，求解其應力以及位移，最后驗證葉片結構強度。

1 葉片數值模型的建立

1.1 葉片幾何參數

本文以某2KW小型風力發電機為研究對象，風力機葉片設計參數如下：葉片數、葉片翼型、尖速比、葉素截面弦長、葉素扭角、最佳攻角。本文設計的風力機風輪直徑為4，葉片數為3葉片，尖速比為7，額定風速為10，葉片翼型選擇NACA4412，實際此翼型在水平軸風力發電機葉片設計中應用較廣泛，其氣動性能良好。利用基于動量葉素理論的Wilson設計方法[3]計算8個葉素截面的弦長和扭角。

1.2 葉片實體建模

采用翼型設計軟件Profili將各截面的葉素曲線直接導出，并且使用三維建模軟件Solidworks中的“邊界”命令進行建模，在Solidworks軟件中將實體模型保存為“IGS”格式，以便導入CAE軟件進行分析。

2 葉片的力學仿真分析

2.1 葉片的材料參數

本文葉片采用目前應用范圍較廣的玻璃鋼材料，相比于其他材料，其具有抗疲勞性好、減震性好、強度高等優點。本文選取的材料參數[4]如下表1所示。

2.2 網格劃分及載荷施加

葉片網格劃分方式采用默認的自動劃分方式。葉片在實際運行中受到離心力、重力、風壓等載荷作用，其中葉片重力較小，所以在軟件分析過程中不予考慮。本文主要施加離心力和風壓載荷。離心力載荷主要通過額定轉速來施加，風壓載荷計算式[5]為：

式中為空氣密度，取1.225，為風速，取10。

2.3 計算結果

CAE軟件計算得到的等效應力圖如圖1所示。從圖中看出，葉片根部和中部的應力較大，葉片最大應力在葉片中部位置，其值為8.16，因此最大應力小于所選用材料的許用應力，符合強度要求。

通過計算得到位移圖，如圖2所示。由圖可知，葉片葉尖部分位移變化量最大，其值為35.02，符合葉片位移的安全范圍。

3 結論

（1）通過CAE軟件計算，葉片根部和中部應力值較大，實際設計中應著重考慮這兩部分。最大應力位于葉片中部，并且最大應力小于材料的許用應力，符合使用要求。

（2）葉片位移變化的最大值位于葉尖部分，同樣也在允許的安全范圍之內。

參考文獻

[1]楊賀.水平軸風力機風輪氣動性能研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2014.

[2]辛東旺.風力發電機葉片三維建模及分析[D].西安：西安理工大學，2018.

[3]李國寧，楊福增，杜白石，等.基于MATLAB與Pro/E的風力機風輪設計及造型[J].機械設計，2009，26（6）：3-7.

[4]張建平，張智偉，紀海鵬，等.碳纖維與玻璃鋼風力機葉片動力特性的對比分析[J].上海電力學院學報，2019，35（6）：531-534+538.

[5]王昊，范海哲，李帥斌.風力發電機葉片建模及有限元分析[J].上海電力學院學報，2016，32（3）：257-260.

收稿日期：2020-08-23

作者簡介：黃忠文（1971—），男，湖北京山人，碩士，副教授，研究方向：工程結構分析、流體機械、新能源工程。