风力机叶片设计和三维实体建模研究.pdf

　１６　　　　　　风力机叶片设计和三维实体建模研究　　２０１４年６月　　风力机叶片设计和三维实体建模研究　　　　王峥，顾桂梅，汪芳莉　　　　　　（兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州７３００７０）　　摘要：叶片在风电机组中起着关键性的作用，在很大程度上决定了整机的性能。为使风电机组获得最大的气动效率，对　　动量－叶素理论进行了改进，研究了叶片设计的一般步骤和方法。为满足叶片的气动连续性要求，提出了放射线拟合法来实现　　　叶片表面的光滑过渡。然后依据坐标变换原理将叶片翼型的二维坐标转变为空间三维坐标，最后通过ＡＮＳＹＳ软件对叶片进　行光滑三维实体建模，为叶片外形的进一步修正及分析奠定了基础。　关键词：风力机；叶片设计；实体建模　　中图分类号：ＴＢ３３２　　　文献标识码：Ａ　　———　文章编号：１００３０９９９（２０１４）０６００１６０４　　　　随着各国的快速发展，对能源的需求也与日俱　　　　　　增，传统能源已１３趋缺乏。因此风能以它独特的优　　势越来越受到人们的关注。同时风力发电技术日趋　成熟，对于调整能源结构、解决世界能源危机等方面有重要意义¨　　　　Ｊ。叶片在风力发电过程中起着关键　　　性的作用，在很大程度上决定了整机的性能，因此风　　　力机叶片的设计就显得尤为重要Ｊ。叶片的弦长　　　和扭角呈曲线变化，这使得其结构变得异常复杂，　　　　　　气动外形的设计也变得十分困难，一般的二维绘图　很难准确表达叶片的实际空间结构。　　　　本文针对上述情况，对２ＭＷ级水平轴风机叶片　　　　进行气动外形设计。基于动量．叶素理论，考虑叶尖　损失的影响，对其进行修正，从而得出叶片各个截面　的弦长和扭角。然后对叶片翼型坐标点进行了离散　　　坐标变换，将翼型的二维平面坐标转换为对应叶片　　　各截面的三维空间坐标，最后在放射线拟合叶片翼　　　型的基础上，应用ＡＮＳＹＳ软件对其进行光滑三维实　　　体建模。　　ｌ风力机叶片气动设计　　　１．１２ＭＷ风轮叶片设计参数　　叶片：Ｐ＝２０００ｋＷ、Ｕ　＝３ｍ／ｓ、Ｕ。　＝２５ｍ／　　ｓ、Ａ＝８．５、Ｄ＝９３ｍ、Ｂ＝３、风轮中心高度Ｈ＝８０ｍ。　　　１．２叶片翼型的选取　　　　叶片在风电机组中起着重要作用，叶片翼型的　性能直接影响着风能利用率进而影响整机的性能和　效率。大型风轮叶片很长且不同展向位置的气动要　　　　求有别，因此，理论上叶片的各剖面应选择不同的翼　　　　　型。常用的翼型有ＮＡＣＡ翼型系列、ＦＦＡ．Ｗ翼型系　　　　列、ＳＥＲＩ翼型系列、ＮＲＥＬ翼型系列和ＤＵ翼型系列　等　　　　　　　　　　　　　　。根据以上设计，本文在根部选用ＮＡ．　　ＣＡ６４４３０翼型，叶尖处选用ＮＡＣＡ４４２１、ＮＡＣＡ４４１８、　　　ＮＡＣＡ４４１２等翼型，另外为满足叶片的气动连续性　　　　　　　　　要求，叶片沿叶展方向各截面相接部位采用过渡　翼型。　　　　１．３叶片过渡翼型的求取　　　为满足气动连续性要求，叶片厚度沿叶片长度　　　　方向要光滑过渡。常用的方法是通过ＭＡＴＬＡＢ程　序语言以样条插值和曲线拟合法对风机叶片的离散　　　数据进行连续化处理，可对不同翼型连接处进行过　　　渡修正。本文采用放射线拟合法求解过渡翼型，方　　　　　　法如下：以叶片相对半径０．２处的翼型截面向延长　　　　节（圆柱）过渡为例进行介绍，首先作该翼型和叶片　　　　延长节外圆的投影图，然后将风轮的旋转中心。作　　　为顶点对外作若干条射线，每条射线分别与投影图　　　　相交，得到两个点，在这两个点之间取一点尸，最后　　　将射线上的所有Ｐ点连接起来就形成了一条封闭曲　　　　　线，即得到所求的过渡翼型截面的外缘。通过对Ｐ　点位置的调整可使叶片的过渡部分变得光滑，以满　足设计要求。　　　１．４叶片弦长和扭角的计算　　　　　动量．叶素理论Ｈ假设各个环面内速度诱导　　　　因子均匀分布，即假设叶片为无穷多个，实际上叶片　　　收稿日期：２０１４４３１－２０　　　基金项目：兰州交通大学科技支撑基金（ＺＣ２０１２００８）　　　作者简介：王峥（１９８８．），女，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计和强度振动分析，ｗａｎｇｚｈｅｎｇｌ１２６０２＠１２６．ｅｏｍ。　　ｊｌＲＩ　ｍ４．　ｊ　２０１４年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　１７　　　数量是有限的，叶片基元间气流相互作用的强弱取　　决于气流与叶片间的接近程度。这就导致了环面内　　诱导速度随时间是变化的，其结果是减少了功率的　　　　输出。为了使动量一叶素理论更符合实际情况，　Ｐｒａｎｄｔｌ在此基础上进行了改进，叶片所在处的轴向　　　　诱导速度因子、气流人流角不变，环面内的平均轴向　　　　　诱导速度因子用０（ｒ）表示，Ｆ（ｒ）为叶尖损失函数，　　其近似解的表达式为：　　　　Ｆ（ｒ）＝－－三ａｒｃｃｏｓＩｅｘｐ（一］　　　ｆ＝ＮＲ－ｒ　　由动量－－＠素理论可得：１　　＝４　　ｓｉｎ２￣（ｃ一　ｃ　（１）一　　口一　　　４ｓｉｎ。击ｙ　／　　　　　　（１一。）告＋４一１）（１－ａ）一Ｃｎ＝０（２）　　　　１ａ＝　　㈩　＋　　一４ｓｉｎｃ０ｓ西　　ｓｉｎ４，＝　　　，ｃ０ｓ＝　（４）—　　　∞　一，——　　　【４Ｊ　　　Ｏｄ＝一　（５）　　Ｃ：Ｃ２ｃｏｓ４，＋Ｃｄｓｉｎ４，　（６）　　Ｃ＝Ｃｆｓｉｎ４，一Ｃｄｃｏｓ４，　（７）　　　　　　　　　式中，为来流角；Ｏｔ为攻角；为一叶片实质；　　　　　　　ｃ为气动升力系数；Ｃ为气动阻力系数；为来流　　　风速；　通过对动量一叶素理论改进方法的研究，式（１）、　　式（２）、式（３）可修正为：—ａＦ（—　　ｒ）一鱼　６，Ⅱ　　　　（１一）１１二　　　　１一ｎ一４ｓｉｎ２４，ＩＣｘ一４ｓｉｎ２４，￣ＹＴ－＝　Ｊ１－￣ａＦ（ｒ）　（８）　—　　　　—　（１一口）＿｝Ｃｘ＋４／乙：１）（１一ａｇ（，．））一Ｃｎ＝０　（９）＝—ｔ￥ｒＣ—ｚ　　　　　　　ａ４ｓｉｎ４，ｃｏｓ４，１ａＦ　（１０）１　＋　　　一（ｒ）　一　　因为二维翼型的气动特性系数是攻角的非线性　函数，所以式（８）、式（９）及式（１０）的求解需要反复　　　迭代，迭代求解过程如下：（１）假设ｎ＝÷　　　、口＝０，这可能是一个比较理　　想的迭代起始点；　　　（２）由式（４）计算人流角西；　　　　（３）由式（５）计算攻角；　　　（４）从翼型数据表中读取升力系数ｃ和阻力系　　数Ｃｄ；　　　　　（５）由式（６）和式（７）计算系数ｃ和Ｃ；　　　　　　（６）ａ值小于或等于切点值时，由式（８）和式　　　　　　　（１０）计算新的ａ和ａ的值；ａ值大于切点值时，由　　　‘　　式（９）和式（１０）计算新的ａ和ａ的值；　　（７）若新的ａ和ａ值变化超过限制，重复（２）、　　　（３）两步，直到结果收敛。　　根据上述内容，可得到各叶素剖面的优化设计　　　值，并可进一步求得修正后叶片各截面弦长和扭角，　　如表１所示。　　　　表１沿叶展方向修正后的截面参数　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｓｅｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｒｅｖｉｓｅｄａｌｏｎｇｔｈｅ　　　　　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｓｔｒｃｔｃｈ　　　　　截面序号叶素截面半径ｒ／ｍ　　弦长ｌ／ｍ　　扭角／／ｄｅｇｒｅｅ　１．２　２．３　６．３　９．３　１１．３　１５．３　ｌ９．３　２１．３　２３．３　２５．３　２７．３　２９．３　３１．３　３３．３　３５．３　３７．３　３９．３　４１．３　４３．３　４６．３　　　２叶片截面翼型的坐标变换　　应用ＡＮＳＹＳ软件进行自底向上建模的实质即定　　　义关键点，然后由点到线再到面或体的过程，。所　　以建模的关键就是将翼型的坐标通过平移变换到空　　瓣∞　　∞　　　＂　　　卯＂¨　∞　¨　　Ｌ　粥　　铆川　蝴　跚　　：　　３　－　　１　　２　　２　　２　　２　　２　　ｌ　　１　　１　　ｌ　　１　　　　　　　　　　　　　　　２３４５６７８９¨　　　　ＢＨ　　　２０１４年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　　　　　ＡＮＳＹＳ软件的ＧＵＩ操作界面，采用自底向上的方式　　对风机叶片进行三维实体建模，能较为真实地反映　　　　风力机叶片的几何形状，为风力机叶片的优化、气动　性能分析和结构分析奠定了基础。　参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［１］赵丹平．风力机设计理论及方法［Ｍ］．北京：北京大学出　　版，２０１２．　　　　　　［２］薛彩虹，李军向，王超，等．复合材料风电叶片有限元建模和屈曲　稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，（１）：４＿７．　　［３］郑澎，张彦飞，赵贵哲，等．风电叶片用环氧树脂固化动力学特性　　　—　及力学性能的研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（２）：８１１．　　　　　　［４］张军，武美萍．大型风力机叶片有限元建模研究［Ｊ］．机械设计　　与制造工程，２０１３，４（４２）：２４－２７．　　　　　　　［５］杨涛，李伟，张丹丹．风力机叶片气动外形设计和三维实体建模　—　研究［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０，（７）：１９０１９１．　　　　　　［６］张慧珍，张礼达．水平轴风力机叶片的实体建模研究［Ｊ］．能源　　与环境，２０１０，（６）：１５一ｌ７．　　　　　　　　　　［７］赵明安，孙大刚，张海龙．大型风力机叶片三维建模及模态分析　　［Ｊ］．太原科技大学学报，２０１２，３３（３）：１９０－１９３．　［８］李春．现代大型风力机设计原理［Ｍ］．上海：上海科学技术出版　　社，２０１３．　　　　　［９］芮晓明．风力发电机组设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０．　　　［１０］武玉龙，李春，高伟．３ＭＷ风力机叶片设计建模与模态分析　　　［Ｊ］．机械研究与应用，２０１３，１２５（２６）：４＿７．　　　　　［１１］陈立新，闫磊，崔研．一种用于风机叶片材料选择的气动参数计　算方法［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，（２）：４９－５１．　　　　［１２］闫海津，胡丹梅．风力机叶片的三维建模［Ｊ］．能源技术，２００９，　３０（２）：８９－９５．　　　　　　　　［１３］ＤａｎｉｅｌＬＬａｉｄ，ＦｅｌｉｃｉａＣ．ＭｏｎｔｏｙａＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＷｉｎｄ　　　　　　　ＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅｓ［Ｊ］．４３ｒｄＡＩＡＡＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔ，２００５，（６）：１Ｏ一１３．　　　　　　　　［１４］Ｃ．Ｋｏｎｇ．Ａｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ　　　　　　　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｌｏａｄｃａｓｅｓａｎｄｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２００５，　（３０）：１１－１２．　　　　［１５］陈家权，杨新彦．风力机叶片立体图设计［Ｊ］．机电工程，２００６，　２３（４）：３７４Ｏ．　　　　　　　　　［１６］王新荣．ＡＮＳＹＳ有限元基础教程［Ｍ］．北京：电子工业出版　　社．２０１１．　　　　　　　　　　［１７］赵娜，李军向，李成良基于ＡＮＳＹＳ建模的风力机叶片模态分　　—　析及稳定性分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（６）：１４１６．　　　　　　　［１８］邓凡平．ＡＮＳＹＳＩＯ．０有限元分析自学手册［Ｍ］．北京：人民邮　　电出版社，２００７．　　　　　　　Ⅱ　　　’　　　　　ＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＤＥＳＩＧＮＡＤＴＨＲＥＥ－ＤＥＮＳ１０ＮＡＬＥＴｌｒｌＹＭ０ＤＥＬｌＮＧＳＴＵＤＹ　　　—　　—　ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ，ＧＵＧｕｉｍｅｉ，ＷＡＮＧＦａｎｇｌｉ　　　　　　　　　（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｌａｄｅｐｌａｙｓａｋｅｙｒｏｌｅｉｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｗｈｉｃｈｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｔｏａ　　　　　　　　　　　　　　　　ｌａｒｇｅｅｘｔｅｎｔ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅＰｉｔｕｉｔｒｉｎ－Ｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｔｅｐｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆ　　　　　　　　ｂｌａｄｅｄｅｓｉｇｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇａｉｎｍａｘｉｍｕｍａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｅｆｆ　　　　　　　　　ｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ．Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｂｌａｄｅｐｎｅｕｍａｔｉｃｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ，ｒａｄｉａｔｉｏｎｆｉｔｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｍｏｏｔｈｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　ｂｌａｄｅ．Ｔｈｅｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｃｈａｎｇｅ，ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｃｒｏｓｓｐｒｏｆｉｌｅａｒｅｔｒａｎｓｌａｔｅｄｆｒｏｍ—　　　—　　　　　　　　　—　ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅｔｏｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅ．Ａｔｌａｓｔ，ＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｃａｒｒｉｄｅｏｕｔｏｎｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅｎｔｉ　　　　—　　　　　　　　　　　　ｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａｂｏｔｔｏｍｕｐａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｌａｙｓａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ　　　ｏｆｔｈｅｂｌａｄｅ．　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅｄｅｓｉｇｎ；ｅｎｔｉｔｙｍｏｄｅｌ