SoidWorks風力發(fā)電機葉片的建模方法

2013-07-28 by:廣州SolidworksUGCatia培訓中心來源:仿真在線

0 引言

風輪是風力發(fā)電機(以下稱風力機)最重要的部件之一。風力機就是依靠風輪把風所具有的動能有效轉化為機械能并加以利用。風輪的設計好壞對風力機有重大影響?，F(xiàn)代風力機風輪通常是采用三葉片的上風或下風結構。風輪葉展形狀、翼型形狀與風力機的空氣動力特性密切相關。目前,在風力機風輪葉片的氣動設計方面,還沒有系統(tǒng)的設計模型和方法,只有針對某一方面的模型,這些模型還無法歸納成一套可靠的系統(tǒng)設計模型。一臺好的風力機應當盡量增加升力而減小阻力,使之盡量趨于最大值,以增加風力機的風能利用系數(shù)。葉片氣動設計主要是外形優(yōu)化設計,這是葉片設計中至關重要的一步。外形優(yōu)化設計中葉片翼型設計的優(yōu)劣直接決定風力機的發(fā)電效率,在風力機運轉條件下,流動的雷諾數(shù)比較低,葉片通常在低速、高升力系數(shù)狀態(tài)下運行,葉片之間流動干擾造成流動非常復雜。針對葉片外形的復雜流動狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構成,葉片葉型的設計變得非常重要。本文以Glauert渦流理論為依據(jù)設計葉片并優(yōu)化,優(yōu)化過程以葉輪的氣動、功率數(shù)值計算為基礎,根據(jù)不同的設計需要選取翼型。一般現(xiàn)代風力機的葉片都制成螺旋槳式的,目的是讓整個葉片由根部到尖部各截面翼型的弦長與對應處的相對風速大致相同,并使其在最佳攻角值附近,使風力盡可能多地轉換成葉片的升力,提高風力機的利用系數(shù)。

1 風力機風輪的主要數(shù)據(jù)參數(shù)

以輝騰錫勒風電廠所用的GAMESA公司的G52-850kW風力機為例,該風力機是三葉片式葉片,受風角度可調且主動偏航的風力機。

2 基于SolidWorks的風輪葉片建模

Glauert渦流模型考慮了風輪及葉片渦系對葉片氣動特性的影響,由渦流引起的誘導風速可看成是由中心渦系、每片葉片的附著渦系及葉片尖部形成的渦系疊加的結果。主要公式為:

其中:ε為葉片翼型氣動特性的升力線角,Φ為風輪旋轉面與當?shù)貧饬鞯膴A角,k為中間變量。

分析Glauert渦流理論設計的葉片,其實度Q為0.6,葉片根部的弦長比其它部分大,實際上這部分葉片對葉輪總的功率影響不大,可適當降低這部分葉片的弦長。另一方面,風輪產(chǎn)生的噪音往往隨葉片葉尖弦的增加而提高,為降低噪音,也可適度降低葉片葉尖弦長。為了保證風輪的功率不下降,適度加大葉片從0.5R到0.8R區(qū)域內的弦長。應用Glauert渦流理論設計風輪葉片,把葉片分成若干葉素,分別對各葉素在最佳運行狀態(tài)下進行空氣動力學計算。相關參數(shù)有風輪半徑R、葉素回轉半徑r、葉片數(shù)目b、葉尖速比λ以及最佳攻角i,升力系數(shù)(不同的翼型所對應的最佳攻角、以及最佳攻角處的升力系數(shù)都可以在profili軟件中或者通過空氣動力學相關公式計算獲得)。通過CAD軟件可以模擬風力機葉片每一部分截斷面的草圖。

在SolidWorks環(huán)境中葉片的成型過程可以采用放樣的方式形成,即根據(jù)給定的葉型參數(shù),計算選定的斷面輪廓線尺寸,作出各選定斷面輪廓線的草圖,再對各選定斷面輪廓線的草圖進行放樣,方法有三種。

2.1 將葉片分成三段,即葉根部、葉中段和葉尖部。假定三段中每段各處斷面都是均勻過渡,作出每段的首尾斷面輪廓線草圖,再對每段的首尾斷面輪廓線草圖進行放樣。放樣時后兩段每段的首部草圖和上部尾部草圖相銜接是一樣的。

2.2 將葉片分成三段,即葉根部、葉中段和葉尖部。假定三段中各斷面是非均勻過渡,把每段再平均分成若干段。以葉中段為例,作出每一小段的首尾斷面輪廓線草圖,該草圖中樣條曲線上的各取樣點的尺寸都和該處斷面的弦長有關,各小段首尾兩段弦長關系為L2=L1-2D*tg3°(其中L2為尾段弦長,L1為首段弦長,D為首尾兩段距離)。對每小段的首尾斷面輪廓線草圖進行放樣。利用SolidWorks插入下拉菜單的系列零件設計表-編輯表格命令,把每一段尾部的弦長輸入Excel表格,在Excel表格中利用公式L2=L1-2D*tg3°對每一段弦長進行編輯計算,得到一段葉片實體;對每一段葉片實體重新建模按順序裝配。

2.3 假定三段中每段各斷面是均勻過渡,把每段均勻分成若干段,作出每段的首尾斷面輪廓線草圖,對各段斷面輪廓線草圖進行放樣。

可以看出用方法3得到的葉片特征圖比方法1和2得到的特征圖線型更流暢、更光滑。以上圖形根據(jù)實際葉片上的每一斷面草圖得到。由于每一斷面草圖的輪廓線因部位不同曲線型式也不同,并不是由純粹的樣條曲線組成,如葉片迎風刃部是用圓弧生成的,以利于特征圖抽殼,抽殼壁厚為15mm。

利用Excel表格把零件系列化,是SolidWorks的特有功能,另外在SolidWorks中零件的尺寸可以關聯(lián),改變零件上的某一尺寸重新建模之后可以隨之改變零件大小和由零件組成裝配圖,而不需要對每個零件的所有尺寸都進行編輯。葉片成型之后,設定材料,查看其質量特性,可知其密度、質量、體積、表面積、重心、慣性力矩和慣性張量等。利用SolidWorks還可以對葉片的各點曲率以及載荷進行分析。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才