NACA634型風(fēng)力機(jī)葉片三維建模及模態(tài)分析

羅春玲

摘要： 葉片作為風(fēng)力機(jī)的重要部件，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文使用UG三維軟件，完成葉片的三維實(shí)體建模；運(yùn)用有限元方法，選定葉片材料的特征參數(shù)，進(jìn)行葉片的模態(tài)分析，確定了葉片的振型模態(tài)，并對(duì)比分析葉片各階的振型模態(tài)結(jié)果。結(jié)果顯示葉片的主要振動(dòng)形式為揮舞和擺振，這為大型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。

Abstract： Since blades are important components of the wind turbine，it is of vital importantance to design reasonable blades. Three dimensional solid model of blades is completed by using three-dimensional UG soft ware. Finite element method is adopted in this paper to select characteristic parameters of blade material，then vibration modal for the blades is analyzed to determine the vibration modal of blades，which results shall be compared with that of blade modal of each rank. Results show that the main vibration forms of blade are flap and lead—lag，which can offer references for the design and optimization of large wind turbine blade.

關(guān)鍵詞： NACA634風(fēng)力機(jī)葉片；三維建模；模態(tài)分析

Key words： NACA634 wind turbine blade；3D modeling；modal analysis

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）07-0122-02

0 引言

葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，風(fēng)力機(jī)在工作時(shí)，會(huì)受到慣性力，空氣動(dòng)力等疊加作用，且風(fēng)力機(jī)葉片本身剛度不高、展向長(zhǎng)，葉片在運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。本文結(jié)合NACA634型葉片數(shù)據(jù)，建立了葉片的三維模型；通過對(duì)葉片模態(tài)分析，得到了葉片各階模態(tài)，以便對(duì)顫振進(jìn)行分析。

1 風(fēng)力機(jī)葉片三維建模

風(fēng)力機(jī)葉片是一種不規(guī)則的三維曲面，沿翼展方向葉片有不同的厚度和弦長(zhǎng)，根據(jù)葉片數(shù)據(jù)建立模型中的參數(shù)有葉片截面距根部距離、該處截面與翼型有關(guān)的厚度和弦長(zhǎng)以及安裝角。

1.1 葉片的特征參數(shù)

本文以NACA63-415風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，分析時(shí)采用盡可能多的截面數(shù)據(jù)，采用的數(shù)據(jù)越多，建立的三維葉片模型越能精確的反映實(shí)體的幾何外形特征。

1.2 葉片截面坐標(biāo)變換

將葉片分割成多個(gè)截面空間，每個(gè)截面空間的坐標(biāo)是通過葉片上某一截面的二維圖像的坐標(biāo)為原點(diǎn)、弦線方向?yàn)閄軸，通過換算得到的，根據(jù)NACA634型某個(gè)截面的坐標(biāo)，然后把這些翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，弦線方向保持不變，坐標(biāo)原點(diǎn)變換到氣動(dòng)中心。變換如下[1，2]：

重復(fù)上述計(jì)算，可以得出NACA63-415風(fēng)力機(jī)葉片各個(gè)截面特征點(diǎn)的幾何空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)（見表1）。

1.3 建立葉片三維模型

把坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維模型軟件中[3]，對(duì)生成的葉片的精確翼型實(shí)體模型進(jìn)行抽殼處處理，并添加兩個(gè)5CM厚肋板，葉片的實(shí)體模型見圖1。

1.4 葉片單元網(wǎng)格劃分

通過UG建模軟件將建立的葉片模型文件生成IGES格式，導(dǎo)入MSC Patran軟件中，進(jìn)行有限元分析。風(fēng)力機(jī)葉片為中空結(jié)構(gòu)，實(shí)際的殼厚度是5CM。每個(gè)單元有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，在彈性葉片殼單元中產(chǎn)生52386個(gè)單元，12467個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.5 葉片的材料屬性及約束

NACA63-415風(fēng)力機(jī)葉片的表面是玻璃鋼復(fù)合材料[4]。玻璃鋼材料在各方向上的彈性模量相同。玻璃鋼葉片的材料參數(shù)見表2，輪轂與葉片根部間固定連接。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

固有頻率和振型是葉片結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是設(shè)備故障診斷以及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的重要依據(jù)。風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)分析可以確定風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率和振型。

將（10）式展開計(jì)算，得到關(guān)于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的多個(gè)自振頻率[5]，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體的自振頻率代入式（9），可得到結(jié)構(gòu)體中各自振頻率相應(yīng)的{？字i}，{？字i}稱為葉片的振型。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)葉片模態(tài)分析后部分結(jié)果如圖2所示，表4從給出了葉片前六階模態(tài)頻率及振型，由表可見葉片前四階振動(dòng)主要是揮舞振動(dòng)，從第五階振型開始，葉片以揮舞振動(dòng)主，開始有微小的擺振，到第六階，可以看到明顯的揮舞振動(dòng)和擺振；第六階振型是葉片揮舞與擺振相疊加。

3 結(jié)論

①葉片網(wǎng)格劃分是否合理，直接影響求解穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致結(jié)果不收斂，因此，應(yīng)選擇適當(dāng)大小的葉片網(wǎng)格。

②葉片前四階的振型是揮舞振動(dòng)，超過四階后頻率，在葉片擺振的同時(shí)夾雜著擺振。

③本文以葉片根部與輪轂之間固定連接為條件展開分析，對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片葉根與輪轂之間不完全剛性的結(jié)構(gòu)。葉片的自振頻率需要重新分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]季采云，朱龍彪，朱志松，等.3MW海上風(fēng)力機(jī)葉片的三維建模及模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：192-194.

[2]趙明安，孫大剛，張海龍，等.大型風(fēng)力機(jī)葉片三維建模及模態(tài)分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（3）：190-193.

[3]張禮達(dá)，任臘春，陳榮盛，等.風(fēng)力機(jī)葉片外形設(shè)計(jì)及三維實(shí)體建模研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（9）：1176-1179.

[4]李聲艷.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算分析[M].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]師漢民著.機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[6]李隆鍵，張義華，唐勝利.風(fēng)力機(jī)翼型邊界層分離流動(dòng)三維特性的數(shù)值模擬[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（09）.

[7]謝園奇.不同翼型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與模擬實(shí)驗(yàn)[D].華北電力大學(xué)（北京），2009.

[8]劉雄，陳嚴(yán)，葉枝全.增加風(fēng)力機(jī)葉片翼型后緣厚度對(duì)氣動(dòng)性能的影響[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006（05）.

[9]呂由.風(fēng)力機(jī)葉片繞流的數(shù)值模擬研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[10]尹耀安.大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與CFD分析[D].華中科技大學(xué)，2008.