葉片數(shù)目對風(fēng)輪位移和應(yīng)力的影響

■ 張開華 張建平 龔振 張智偉 韓熠

（1.上海綠色環(huán)保能源有限公司；2.上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院）

0 引言

為有效降低使用化石燃料所帶來的環(huán)境污染，緩解世界能源緊張的局勢，更快地實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，新能源已成為世界能源開發(fā)利用的“寵兒”。其中，風(fēng)力發(fā)電越來越受到世界各國政府的重視，很多國家相繼投入了大量資金，并出臺了一系列政策和措施，鼓勵風(fēng)能的開發(fā)和利用，以實現(xiàn)經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。

目前，市場上水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪以三葉片為主，兩葉片與四葉片風(fēng)輪的風(fēng)力機并不多見。學(xué)者們研究了風(fēng)輪葉片數(shù)量不同時風(fēng)力機的性能，以尋找最優(yōu)設(shè)計。萬騁凱[2]通過擴散器裝置和增加葉片數(shù)目的方法得到了一種新型四葉片聚能風(fēng)力機構(gòu)型，其可降低啟動風(fēng)速，提高最大風(fēng)能利用系數(shù)。楊勇等[3]對3 MW兩葉片海上風(fēng)電機組整機進行建模，并對整機模型進行模態(tài)分析，計算得到了整機自然頻率。汪建文等[4]采用試驗?zāi)B(tài)分析法對多葉片風(fēng)輪進行了模態(tài)分析，得到了實際模態(tài)振型。周胡等[5]基于OpenFOAM自由軟件包，采用任意網(wǎng)格界面元方法對兩葉片和三葉片風(fēng)力機風(fēng)輪周圍流場進行了非定常數(shù)值模擬和分析。

早期，風(fēng)力機的設(shè)計各不相同，兩葉片、三葉片、四葉片風(fēng)輪的風(fēng)力機市場中都存在。但在20世紀(jì)80年代激烈的市場競爭之后，兩葉片與四葉片風(fēng)輪的風(fēng)力機逐漸被淘汰，三葉片風(fēng)輪的水平軸風(fēng)力機逐漸成為市場主流。學(xué)者們對風(fēng)力機風(fēng)輪的研究也主要集中在三葉片。但是，風(fēng)輪葉片數(shù)目不同時風(fēng)力機在力學(xué)性能上的表現(xiàn)究竟有多少差距，在文獻中并無太多的解釋，雖也有關(guān)于除三葉片之外的其他葉片數(shù)目的研究文獻，但未見針對其他葉片數(shù)目對風(fēng)輪位移和應(yīng)力的分析。因此，本文以NREL 5MW風(fēng)力機單葉片風(fēng)輪為基礎(chǔ)，針對兩葉片、三葉片和四葉片風(fēng)輪，研究額定工況下不同葉片數(shù)目對風(fēng)輪應(yīng)力和位移的影響，以尋找在運行安全性、風(fēng)能捕集能力等方面具有優(yōu)越性的葉片數(shù)目。

1 理論模型

葉片滿足的運動方程為[6]：

式中，σij為應(yīng)力張量；Ui為葉片的位移矢量；為葉片的材料密度；fi為與風(fēng)荷載相關(guān)的體力矢量。

對于幾何非線性彈性體，葉片滿足的本構(gòu)方程及位移與應(yīng)變關(guān)系式分別如式(2)、式(3)所示。

式中，G、λ分別為剪切彈性模量和拉梅系數(shù)；δij為單位張量；εij為應(yīng)變分量。

2 風(fēng)輪實體建模

將UG建模軟件生成的單葉片模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件的Geometry模塊，利用Body Operation(體變換)功能將單葉片沿實際運行時的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)120°，并保留原模型，生成2個夾角為120°的葉片；重復(fù)一次上述操作，即可生成3個葉片；轉(zhuǎn)軸部分簡化為一半球面頂部的圓筒(半球面面向來流方向)，與葉片一起則構(gòu)成三葉片風(fēng)輪模型，如圖1所示。為了研究不同數(shù)目葉片對風(fēng)輪的氣動彈性動力響應(yīng)，本文分別以180°和90°夾角，采用類似的旋轉(zhuǎn)方法建立了兩葉片和四葉片的風(fēng)輪模型，分別如圖2、圖3所示。

圖1 三葉片風(fēng)輪模型

圖2 兩葉片風(fēng)輪模型

圖3 四葉片風(fēng)輪模型

3 葉片數(shù)目對風(fēng)輪位移和應(yīng)力的影響分析

本文對3種不同葉片數(shù)目的風(fēng)輪在風(fēng)速為11.4 m/s、轉(zhuǎn)速為12.1 rmp的額定工況下的位移和應(yīng)力進行了對比分析。

3.1 位移分析

圖4給出了ANSYS軟件模擬的在整個計算時間歷程內(nèi)兩葉片、三葉片、四葉片風(fēng)輪的最大位移分布。從圖中可以看出，3種風(fēng)輪的最大位移均發(fā)生在各風(fēng)輪的葉尖位置。

圖4 不同葉片數(shù)目的風(fēng)輪的最大位移分布

表1為3種不同葉片數(shù)目的風(fēng)輪在整個計算時間歷程中的最大位移。從表1中可以看出，葉片數(shù)目越多，最大位移越大，變形越明顯；而葉片數(shù)目越多，位移越大，葉片擊中塔架發(fā)生危險的可能越大，安全性較低。也就是說，兩葉片風(fēng)輪相對安全，而四葉片風(fēng)輪發(fā)生危險的可能性最大。

表1 不同葉片數(shù)目風(fēng)輪的最大位移

3.2 應(yīng)力分析

在整個計算時間歷程內(nèi)，ANSYS軟件模擬的兩葉片、三葉片、四葉片風(fēng)輪的最大應(yīng)力分布如圖5所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力均發(fā)生在葉片中部和根部；三葉片和四葉片風(fēng)輪在弦長最長的葉素翼尖位置附近出現(xiàn)了應(yīng)力峰值。

圖5 不同葉片數(shù)目的風(fēng)輪的最大應(yīng)力分布

3種不同葉片數(shù)目的風(fēng)輪在整個計算歷程中的最大應(yīng)力如表2所示。從表2中可以看出，三葉片風(fēng)輪所承受的應(yīng)力最大，四葉片風(fēng)輪所承受的應(yīng)力與之相近，而兩葉片風(fēng)輪所承受的應(yīng)力不及二者的一半，這間接說明了三葉片與四葉片風(fēng)輪的風(fēng)能捕集能力相當(dāng)，均比兩葉片風(fēng)輪強。

表2 不同葉片數(shù)目風(fēng)輪的最大應(yīng)力

4 小結(jié)

綜上分析，從不同葉片數(shù)目風(fēng)輪的最大位移、最大應(yīng)力情況可以看出，三葉片風(fēng)輪在運行安全性、風(fēng)能捕集能力及制造成本方面取得了良好的平衡，這是其成為市場主流設(shè)計方案的主要原因之一。

5 結(jié)語

本文基于UG建模軟件建立了兩葉片、三葉片和四葉片風(fēng)輪模型，開展了額定工況下風(fēng)輪最大位移和應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論：

1)不同葉片數(shù)目風(fēng)輪的最大位移均發(fā)生在葉尖位置，且位移大小隨葉片數(shù)目的增多而愈加明顯，四葉片風(fēng)輪的安全性較低。

2)三葉片、四葉片風(fēng)輪承受的應(yīng)力相當(dāng)，而兩葉片風(fēng)輪所承受的應(yīng)力相對較小，間接表明了兩葉片風(fēng)輪風(fēng)能捕集能力較弱。

3)三葉片風(fēng)輪在運行安全性與風(fēng)能捕集能力方面具有優(yōu)勢。