基于通用翼型的小型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

蘭 平，王旭東

(重慶工商大學(xué)制造裝備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067)

0 引 言

葉片是風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分，其優(yōu)越的氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)和合理的加工工藝制定是風(fēng)力機(jī)可靠高效工作的關(guān)鍵。

小型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)一般都是采用單一翼型，著重考慮其氣動(dòng)性能，以最大風(fēng)能利用率為目標(biāo)采用傳統(tǒng)的風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)理論來完成其設(shè)計(jì)過程[1]。而小型風(fēng)力機(jī)葉片制作方法現(xiàn)在主要都是基于纖維復(fù)合材料來完成，制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預(yù)浸料成型、擠壓成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑以及真空灌注成型等工藝[2]。筆者通過建立修正的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)模型，在完成葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，基于葉片的三維實(shí)體模型，對(duì)葉片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析，進(jìn)而對(duì)葉片的制作工藝及加工組裝完成的風(fēng)輪性能測試進(jìn)行了研究分析，系統(tǒng)的提出了小型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)制造及測試過程。

1 通用集成翼型的性能分析

風(fēng)力機(jī)葉片形狀主要由翼型形狀、弦長、扭角以及翼型相對(duì)厚度分布來確定。風(fēng)力機(jī)通用集成翼型的設(shè)計(jì)理論是從表征翼型型線本質(zhì)特征的根本因素，即翼型的形函數(shù)出發(fā)，通過應(yīng)用一種比較高效的形狀函數(shù)來表達(dá)的方法，來達(dá)到更精確的控制翼型的集成精度和葉片的形狀的目的。這樣不僅能夠讓設(shè)計(jì)出的風(fēng)力機(jī)葉片具有很高的捕風(fēng)效率，并且能夠在不同的環(huán)境下也能保持相應(yīng)的高效率和綜合應(yīng)用各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢等一系列的高性能，同時(shí)能夠保證葉片表面形狀的光滑性以及葉片形狀的最大程度最優(yōu)解。文中在進(jìn)行葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)時(shí)，葉片翼型采用自主設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的最大相對(duì)厚度為18%的風(fēng)力機(jī)通用集成翼型[3]，其形狀如圖1所示，翼型的相對(duì)厚度沿展向不變。在雷諾數(shù)Re=1.6×106時(shí)，為了盡快分析所設(shè)計(jì)的葉片的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，這里使用Xfoil程序，圖2表達(dá)的是當(dāng)翼型的攻角在逐漸增大過程中升力系數(shù)的變化情況，從圖中看出升力系數(shù)增大到1.87后就不再增大，對(duì)應(yīng)的攻角數(shù)值為19°，表明設(shè)計(jì)結(jié)果失速比較遲緩。根據(jù)圖3中展示的同一工況下攻角對(duì)升阻比變化情況的影響可以看出在攻角取值5°時(shí)，升阻比達(dá)到了同等條件下的最優(yōu)值：150.09。

圖1 葉片翼型的形狀 圖2 設(shè)計(jì)翼型的升力系數(shù) 隨攻角變化圖

圖3 設(shè)計(jì)翼型在主要工作攻角區(qū)域的升阻比

2 葉片的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)葉片在進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定風(fēng)輪的基本參數(shù)。一般來說，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)速8～10 m/s下，具有最大風(fēng)能利用系數(shù)。選取風(fēng)輪的額定風(fēng)速為9 m/s，葉尖速比為7，額定功率為2 kW。

應(yīng)用一維動(dòng)量理論建立風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，可以把風(fēng)輪視作有無數(shù)的葉片拼成的一個(gè)大圓盤，因此，在進(jìn)行風(fēng)輪氣動(dòng)特性計(jì)算時(shí)，Prandtl提出了葉尖損失修正因子：

(1)

式中：F為普朗特葉尖損失修正因子；B為葉片個(gè)數(shù)；R為風(fēng)輪半徑；r為葉片徑向位置；φ為入流角。

以動(dòng)量-葉素理論為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)輪葉素理論中翼型的法向力和切向力系數(shù)(Cn,Ct)做了進(jìn)一步的修正[4]：

(2)

g=exp[-0.125(Bλ-21)]+0.1；

得到了風(fēng)輪的軸向和周向誘導(dǎo)修正因子分別為：

(3)

(4)

其中：Y1=4Fsin2φ/(σCnF1)

Y2=4Fsinφcosφ/(σCtF1)

通過迭代求解，可以計(jì)算在不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下風(fēng)輪承受的載荷及其輸出功率等特性，進(jìn)而完成葉片各個(gè)截面的形狀參數(shù)確定。在迭代過程中，以0作為軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b的初值，根據(jù)此初值，逐步計(jì)算入流角、攻角、翼型的法向力和切向力系數(shù)，最后再得到新的軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b的計(jì)算值。比較最新計(jì)算的a和b值與上一次的a和b，如果兩者的誤差小于我們設(shè)定的誤差值，則認(rèn)為迭代求解過程完成，否則繼續(xù)迭代。為了保證計(jì)算精度，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，文中的迭代誤差初值選取為0.001。

設(shè)計(jì)完成的風(fēng)輪在額定風(fēng)速9 m/s時(shí)，額定輸出功率為2 kW，葉片的長度為1.8 m。圖4為設(shè)計(jì)葉片的弦長分布，最大弦長為0.23 m，在葉片展向距根部0.29 m處。圖5為設(shè)計(jì)葉片的扭角分布，最大扭角為12.4度，整個(gè)扭角變化沿葉片展向較為平緩。

圖4 葉片的弦長分布 圖5 葉片的扭角分布

3 設(shè)計(jì)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

葉片是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為重要的部件，它將在空氣的推動(dòng)力下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)化。葉片所受的力主要來至于與之接觸的空氣，而空氣屬于流體，這就致使葉片的受力情況比較復(fù)雜。整個(gè)風(fēng)力機(jī)機(jī)組的工作年限很大程度上是與其葉片的極限工作時(shí)間有關(guān)，因而，所設(shè)計(jì)的葉片需要滿足在運(yùn)行環(huán)境下的所需要的結(jié)構(gòu)條件。基于上節(jié)得到的葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，在SolidWorks軟件中建立葉片的三維模型如圖6所示。

將在SolidWorks里建立的生成的葉片的三維模型圖輸出為x_t格式，把保存下的模型圖導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中進(jìn)行有限元分析。葉片的材料選用玻璃鋼，單元類型選擇為殼單元，完成葉片的有限元網(wǎng)格劃分。劃分好網(wǎng)格后，確定其邊界約束條件，葉片的實(shí)際工作情況是所有的葉片都是是用螺釘與法蘭盤在根部進(jìn)行連接在一起的，因而在對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)吧葉片的連接部分作固定端處理就行。葉片的有限元網(wǎng)格如圖7所示。

圖6 葉片的三維實(shí)體模型 圖7 葉片的有限元網(wǎng)格模型

選取極端風(fēng)速為20 m/s，考慮該極端風(fēng)況下的受力情況，縫隙葉片所能承受的極限應(yīng)力(重力、離心力、軸向推力等產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力以及扭矩產(chǎn)生的切應(yīng)力)。將葉片在風(fēng)速20 m/s下受到的極端載荷以面里的方式施加在葉片的迎風(fēng)面上，在ANSYSWorkbench中可以通過施加壓力Pressure的方式進(jìn)行施加，求解可以得到葉片的應(yīng)力應(yīng)變分布。圖8為葉片的應(yīng)力分布云圖，根據(jù)應(yīng)力的變化情況可以得出來相對(duì)于葉片材料的極限應(yīng)力來說葉片的整體受到的力十分微小，最大的應(yīng)力值在15.051 MPa，發(fā)生在葉片根部與輪轂連接處，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于葉片材料玻璃鋼的屈服強(qiáng)度。

4 風(fēng)輪輸出功率的測試分析

葉片作為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的主要構(gòu)成部分，工作時(shí)要不僅要受強(qiáng)烈陽光的爆曬、大雨的腐蝕等極端天氣的環(huán)境的破壞，同時(shí)要承受風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)引起的氣彈結(jié)構(gòu)載荷。因此，葉片材料一般選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，此類葉片在強(qiáng)度及其密度方面占據(jù)很大的優(yōu)勢，且具有較好的抗疲勞、抗沖擊、抗蠕變特性[6]。文中葉片模型的材料選用玻璃纖維復(fù)合材料。加工相同的3個(gè)葉片，進(jìn)行組裝成風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪，如圖9所示，3個(gè)葉片應(yīng)對(duì)稱分布，互相間隔120°角。搭建風(fēng)力機(jī)輸出功率的測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其原理為首先通過風(fēng)速測試儀測試和控制自然風(fēng)來流的風(fēng)速，保證具有穩(wěn)定的輸入風(fēng)速。其次，將風(fēng)輪產(chǎn)生的電能通過與三相整流橋連接，穩(wěn)定其輸出電壓和電流，并采用相應(yīng)的電壓表和電流表進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。測試所得的不同風(fēng)速下電流乘以電壓就是風(fēng)輪的輸出功率，風(fēng)輪輸出功率測試原理如圖10所示[7-8]。

圖8 葉片的應(yīng)力分布云圖 圖9 組裝的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪

圖10 風(fēng)力機(jī)輸出功率測試原理

圖11～14分別為在平均風(fēng)速7 m/s，8 m/s，9 m/s和10 m/s下所測得的設(shè)計(jì)風(fēng)輪輸出功率隨時(shí)間的變化圖?？梢钥闯觯β孰S時(shí)間變化波動(dòng)相對(duì)較大，這主要是由于風(fēng)速的不穩(wěn)定引起的。因此，為了確保測試數(shù)據(jù)盡可能的準(zhǔn)確，在研究設(shè)計(jì)風(fēng)輪不同風(fēng)速下的輸出功率特性時(shí)，在每個(gè)風(fēng)速下，都進(jìn)行了多個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)采集，取其多個(gè)測點(diǎn)的平均值。其中在額定風(fēng)速9 m/s下，測得的風(fēng)輪平均輸出功率為1.87 kW，略低于其額定輸出功率，這主要是由加工精度以及測試過程中的誤差引起的。

圖11 風(fēng)速7 m/s下風(fēng)輪的輸出功率 圖12 風(fēng)速8 m/s下風(fēng)輪的輸出功率

圖13 風(fēng)速9 m/s下風(fēng)輪的輸出功率 圖14 風(fēng)速10 m/s下風(fēng)輪的輸出功率

5 結(jié) 論

(1) 選擇相對(duì)厚度為18%的風(fēng)力機(jī)通用翼型，基于該翼型完成設(shè)計(jì)了功率為2 kW小型風(fēng)力機(jī)葉片，應(yīng)用SolidWorks軟件建立了葉片的三維CAD實(shí)體模型。在ANSYS Workbench軟件中建立了葉片的有限元模型，分析其極端工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2) 采用玻璃纖維材料，完成了葉片的加工制作并進(jìn)行了風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的組裝，給出了風(fēng)輪輸出功率的測試原理，在搭建測試平臺(tái)上測試了不同風(fēng)速下風(fēng)輪的輸出功率情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測得的額定風(fēng)速下的輸出功率值略低于理論值。文中葉片的靜力結(jié)構(gòu)分析以及不同風(fēng)速下風(fēng)輪的輸出功的測試結(jié)果，給風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)制造提供一定的理論基礎(chǔ)。