复合材料风力发电机叶片的流固耦合分析研究论文电子版下载

复合材料风力发电机叶片的流固耦合分析研究论文电子版复合材料风力发电机叶片的流固耦合分析研究论文电子版 下载下载 第3期xx年3月机械设计与制造Machinery Design Manufacture227复合材料风力发电机叶片的流固耦合分析常 丽平 李成 铁瑛 张晓闯 郑州大学机械工程学院 河南郑州4500 01 摘要为研究风力发电叶片在工作过程中的应力状态和变形情况 以某一水平轴风力发电机的风轮叶片模型为研究对象 运用AnsysWo rkbench软件平台中的流体力学计算软件CFX 对不风速和叶厚下的 复合材料风力发电叶片进行了流固耦合数值模拟 并对不同工况下 叶片的应力及变形情况进行了分析比较 结果表明叶片上距离叶根约2 3叶高处有明显的应力集中 容易发 生疲劳断裂 且叶尖部位有较大变形 模拟计算结果与工程实际相一致 可对工程实际中风力发电叶片的 设计和制造提供一定的指导 关键词复合材料 风力发电叶片 流固耦合 应力 变形TH16 TB1 26A1001 3997 xx 03 0227 04Fluid Solid InteractionAnalysis ofComposite W ind Turbine Blades CHANGLi ping LI Cheng TIE Ying ZHANG Xiao chuang School ofMechanicalEngineering Zhengzhou University He nan Zhengzhou450001 China AbstractIn orderto studythe stressstate anddeforma tionof thewind turbine blades in the courseo ftheir work the fl uid solid interactiono fa horizontalaxis positeswind turbineblade underdi fferentwind speeda ndthickness issimula tednumerica lly usingthe putationa l fl uidd ynamicsSoftware CFXintheAnsys Workbenchsoj wot e platfor m a ndalso thestress anddeforma tion underdifferentworkingconditi onsale paredrespective And theresult showstha tobviousstress concentrationOurs atthe placeo f2 3o ftheheight awayfromthe bla de rootalongthe blade where i s DIoreproofatigue fracture and thedeformationo fthebladeismuch l12ore larger And thesimula tionresults are consistentwith engineering practice whwh provide soITte guidanceon thedesign and manufacture o fwin dturbineblades inthe engineeringpra ctice Key WordsCom posite WindTurbineBlade Fluid Solid Interaction Stress Deformation1引言近年来 随着世界人口的 增长和经济的快速发展 常规一次能源日渐枯竭 生态与环保的压 力与日俱增 寻找新的可替代能源已迫在眉睫 而风能作为一种可再生 无污染的绿色能源 与常规能源相比有着 很大的优势 发展潜力很大 而风力发电又是风能的最主要利用形 式 目前风力发电已逐渐成为世界各国重点发展的能源之一 风力发电叶片是一个展向长 弦向短 柔性较好 容易发生振动的 细长弹性体 且在工作过程中 叶片受力较为复杂口 而叶片是风 力发电机中最为关键的部件 所以 对风力机叶片的材料的性能要求通常比较苛刻 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料在宏观上组成具有新 陛能的材料 各种材料在性能上互相取长补短 产生协同效应 使 复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求 复合材料所表现出的这些优异的综合性能使其在风力发电叶片的制 造方面应用十分普遍刚 叶片是风力发电机接受风能的部件 其性能的好坏是风力机可靠性 的关键Hi 以某一风力发电机风轮叶片模型为研究对象 结合流体运动控制方 程和湍流控制方程目 运用Ansys Workbench软件平台中的流体分析软件CFX对复合材料风力发电叶片 进行流固耦合数值模拟并对不同工况下的计算结果加以比较分析 流固耦合力学是由流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支 其重要特征是两介质之间的交互作用 71 流固耦合问题通常情况下由流固耦合方程来定义 81 其定义域包含 有流体域和固体域 流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确地模拟叶片 实际的受力状态 并在此基础上 进一步改善叶片的空气动力学特 征 2数值模型无论处于什么状态 流体的流动都要受到质量守恒 动量 守恒和能量守匣三大物理守恒定律的支配 2 1计算流体力学基本理论流场中的控制体既不能产生质量也不能 消灭质量 因此它满足质量守恒定律 该定律在流场中的数学表达式为连续性方程 div J D 0 1 动量守恒定律定律可表述为控制体中流体的动量对时间来稿日期 xx 05 29基金项目国家自然科学基金资助项目 61079005 作者简介常丽平 1987一 女 河南林州人 硕士研 究生 主要研究方向机械强度 旋转机械流固耦合 李成 1962一 男 乌鲁木齐人 博士 教授 博士生导师 主要研究方向复合 材料结构损伤 机械强度228常丽平等复合材料风力发电机叶片的流 固耦合分析第3期的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和 其在流场中的数学表达式称为运动方程p pu div P div rad 一 誓 div div i xgrad 一韭or sv a pw diV div i xgrad似 一 2 式 2 的三个等式分别为控制体在x y和三个方向的动量方程 其中Su Sv Sw为流体运动方程的广义源项 为流体运动方程的广义散度 能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定理 数学 表达方程为 div p div gmd S 3 式中卜温度 一流体的传热系数 s厂流体内热源及由于黏性作 用使流体机械能转换为热能的部分 2 2湍流模型方程为了能详细地分析流体的流动 若流体流动是处 于湍流状态 则该系还需遵循湍流控制方程 而选择合适的湍流控制方程模型对模拟结果的准确性起着重要的作 用 选择适用于强旋流计算的 通过对标准的 c 两方程模型进行改进而得到的RUGK e湍流模型 a pK at一 O xOx 熹等1 C G p2o ax0 x 出 c 3计算模型及边界条件3 1计算模型 4 由于风力发电机叶片的结构比较复杂 对它进行直接建模比较困 难 基于某叶型叶片的实测数据点 通过APDL语言在ANSYS中对风力发电 叶片进行建模 并将建好的模型导入ANSYSWorkbench中做一定的修整 得到叶片的 几何模型 如图1 a 所示 由于三叶片风力发电机的运行和输出功率比较平稳 且具有很好的 旋转特性及视觉效果 故在该分析中叶片数目默认为三片 其中 每个风轮叶片模型的长度L 34m a b 图1叶片的几何模型及有限元模型Fig 1Geometry Modeland FiniteElement Modelof Blade在特定模块中对设置叶片所用的复合材料参数 如表1所示 对叶片进行网格划分 得到叶片的有限元模型 如图1 b 所不表1复 合材料叶片的材料参数Tab 1Material Parametersof theComposite Blade由于叶片在其工作过程中是不停旋转的 所以在该计算中将计 算区域分为包含叶片并与叶片一起旋转的旋转域和包含旋转域的静 止域两部分 在该计算中旋转域流场仅建立全部旋转域流场的1 3以减少计算量 其中叶片位于旋转域流场的中间部位 旋转域的内部与叶片相接触 外径与叶片尺寸相接近 如图2 a 所 示 静止域流场模型的外部轮廓为一圆柱 内部尺寸与整个旋转域流场 完全一致 如图2 b 所示 a b 图2计算域几何模型Fig 2Geometric Modelof CalculationDomain3 2计算边界条件计算中对于叶片边界条件的设 置主要包括叶根处的位移约束 叶片的旋荷和叶片流固耦合界面的 设置三个方面 叶根处的位移约束是对柱坐标系里的和方向添加约束 允许叶片绕 其轮毂轴线旋转 叶片的旋荷是对叶片转速的设置 其旋转正方向 为沿z轴正向往下看为逆时针 叶片上的流固耦合界面是指与流体接 触的叶片表面 对叶片的边界条件设置完成之后还需要在CFX中对流体计算域的边界 条件进行设置 计算域中的流体为25 C的空气 参考压力为1atm 湍流模型选择RNG K Epsilon 计算中 以恒定风速为进El条件 以静压为出口条件 壁面条件设 置为无滑移无渗透的光滑壁面 其中 来流风速大小根据工况条件而不断变化 为了保持平衡 出 口处下游远端处的静压要与大气压相一致 所以出口静压设置为相 对静压为Oatm 4流固耦合计算结果及分析4 1叶片在不同叶厚工况下的计算结果为 研究叶片厚度对风力发电叶片的影响 在尖速比A 7的情况下 取来 流风速v 12m s 风轮转速w 2 198rad s 分别对厚度为0 1m 0 2rn和0 3m的风轮叶片进行流固耦合数值模拟 并加以分析比较 4 1 1不同叶厚工况下叶片的强度分析三种叶厚工况下叶片的压力 面和吸力面的应力云图 如图 3 图4所示 从中可以看出在叶片压力面上距离叶根约2 3叶高处有明显的应力 集中 同时在叶片压力面上靠近叶片根部的位置No 3Mar xx机械 设计与制造229也有一定的应力集中 吸力面与压力面有类似的应力 分布 但由于叶片工作时周围复杂环境的影响使得吸力面的应力集 中现象没有压力面明显 叶片应力集中处是叶片的危险截面所在的位置 容易发生疲劳断裂 从工程实际中收集到的断裂的叶片来看 大部分叶片断裂的部位在 靠近叶片根部或者是离叶尖1 3叶长的地方 模拟分析结果与工程 实际相吻合 VO13Mises Stress Fam14 246e o073 192e 0o72l39e 0o71 086e o073 290e 005 a b c 图3叶片在三种叶厚工况下压力面的应力云图Fig 3Stress Nephogramof theStress of the Bladeunder theCondition of three ThicknessVon MisesStress Faml4 246e 0o73 192e oo72139e o071 086e oo73 29oe 005Vo n MisesStressFam l I3 028e o072 276e o071 523e 0077 702e oo6 a b e 图4叶 片在三种叶厚工况下吸力面的应力云图Fig 4Stress NephogramoftheSuction Surfaceo fthe Bladeunder theCondition ofthree Thickness对比图3和图4中三种工况下叶片压力面和吸力面的应力云 图可以发现三种工况下叶片的应力分布云图变化不大 但随着叶片 厚度的增加距离叶根2 3叶高处叶片压力面和吸力面的应力集中有 所减弱 而叶片根部处压力面和吸力面上的应力集中现象有一定的 加强 且三种工况下叶片的最大应力值有一定的差异 在叶片厚度为0 Im 0 2m和0 3m的工况下叶片的最大应力值分别 为42 46MPa 33 98MPa和30 28MPa 由此可以看出 在恒定转速 和来流风速隋况下 随着叶片厚度的增加 叶片最大应力值有所减 小 可见增加叶片厚度可以在 定程度上改善叶片的强度 但过大的增加叶片厚度可能导致叶片根 部出现明显的应力值 4 1 2不同叶厚工况下叶片的刚度分析风力发电叶片在其工作过程 中只有叶根被固定 其余部分都悬在空中 且工作条件恶劣并长期 受到高速旋转的离心力和空气动力的共同作用 而风力发电叶片又 是一个极易发生挠曲变形的细长弹性体 图5中所示三图分别为叶片在三种不同叶厚工况下的变形云图 由三 图相比较可以看出 三种工况下叶片的变形云图十分相似 变形量 均从叶根到叶尖呈明显的梯度分布 且叶尖变形量最大 只是三种 工况下叶片的最大变形量有一定的差别 模拟分析结果与工程实际中风力发电叶片的失效形式一致 a b c 图5叶片在三种叶厚工况下的变形云图Fig 5Deformation Nephogramofthe Bladeunder theCondition ofthreeThickness图5中所示叶片在叶厚为0 1m 0 2m和0 3m三 种工况下的最大变形分别为0 4148m 0 2474m和0 1977m 其中0 4148m仅相当于叶片长度的1 22 相比于整个叶片 变形量较 小 叶片刚度较好 从三种工况下叶片的变形可以看出 在恒定转速和来流风速情况下 随着叶片厚度的增加叶片最大变形量逐渐减小 可见增加叶片的 厚度对提高叶片的刚度是有利的 但由于增加叶片的厚度会相应的 增加叶片的重量 所以叶片厚度对叶片刚度的影响是有限的 4 2叶片在不同风速工况下的计算结果对0 3m厚度的叶片在恒定转 速w 2 198rad s的情况下 分别取来流风速为12m s 15m s 1 8m s 21m s和24m s五个不同风速工况进行分析 其结果如表2 所示 表2不同来流风速工况下的流固耦合计算结果Tab 2Ef fectof Different Wind SpeedConditions ofFluid Solid CouplingCalculation Results在叶片不同的来流风速工况下的最大应力 最大变形和单个 叶片对z轴的转矩的大小 如表2所示 由此可以看出 在恒定转速情况下 随着来流风速的增加 叶片上 的最大应力基本不变 而最大变形量和单个叶片对z轴的转矩则随来 流风速的增加而有明显的增加 这说明在叶片恒定转速情况下 来流风速对叶片的刚度有一定的影 响 而对叶片的强度基本没影响 风轮叶片在流固耦合过程中的变形主要是由叶片在工作过程中所受 的离心力和空气动力共同作用的结果 在叶片转速不变的情况下 随着来流风速的增加 叶片所受的空气动力随之增加 故叶片的变 形量会有所增加 单个叶片的输出功率通常可由单个风轮叶片对z轴的扭矩与叶片的转 速相乘得到 所以 由单个叶片对Z轴的转矩的变化趋势可知在叶片 转速不变的情况下 单个叶片的输出功率随来流风速的增加而有明 显的增加 枷枷枷枷删瞄披j如 至 网 二 二 隧嘲I230机械设计 与制造No 3Mar xx5结论建立了风力发电机风轮叶片及其流场的有 限元模型 在不同的工况下对叶片进行了流固耦合模拟 并分析比 较了不同工况下的叶片的应力 变形及功率输出情况 得出如下结 论 1 在恒定来流风速和叶片转速的工况下 增加叶片的厚度可以在一 定程度上改善叶片的强度和刚度 但由于增加叶片的厚度会相应的 增加叶片的重量 所以叶片厚度对叶片刚度的影响是有限的 2 在恒定风轮转速w 2 198rad s的情况下 分别取风速为12ngs 15m s 18m s 21m s 24m s 并比较分析三种工况下叶片 的应力及变形情况 对比发现不同工况下叶片的最大应力值基本不变 由于空气动力对 叶片变形的影响使得叶片的最大变形随来流风速的增加而增加 单 个叶片对z轴的转矩随来流风速的增加而增大 而由单个叶片的输出 功率的计算方法可知在恒定转速工况下单个叶片的输出功率也是随 来流风速的增加而增大的 3 在叶片上距离叶根约2 3叶高处和叶片根部是叶片的危险截面所 在的位置 容易发生断裂 且叶片压力面上的应力水平明显高于吸 力面 所以在工程实际中根据需要可以对压力面进行补强 叶片的变形是从叶根到叶尖变形量逐渐增大 且从叶根到叶尖呈明 显的梯度分布 所以在叶片的安装设计时应考虑叶片与塔架之间的 距离以避免在工作过程中叶片与塔架之问发生耦合 参考文献 1 J F Manwell J G McGowan A L Rogers Wind EnergyExplained TheoryDesign andApplication lMj ChichesterJohn Wiley and Sons 2o02 2 潘艺 周鹏展 王进 风力发电机叶片技术发展概 述 J 湖南工业大学学报 xx 21 3 48 5l Pan Yi Zhou Peng zhan Wang Jin Wind generatorblade technology developmentoverview J Journal ofHunan Universityof Technology xx 3 I48 51 3 靳交通 梁鹏程 曾竞成 等 复合材料风电叶片有限元 刚度分析 n武汉理工大学学报 xx 31 27 133 136 Jin Jiao tong Liang Peng cheng ZengJing cheng ctc Finite elementstiffnessana lysisofpositewindvane J Journa lofWuhanUniversity ofScienceandTechnology xx 31 27 133 136 4 Xu Guan peng Lakshmi N Sankar Computational Studyof Horizontal AxisWindTurbines C J Sou1 Energ y 2000 122 1 35 4O 5 齐学义 流体机械设计理论与方法 M 一E京中国水 利水电出版社 20o8 Qi Xue yi Fluid MechanicalDesign Theoryand Methodl Mj Beijing ChinaWater Conservancyand HydropowerPress xx 6 刘克刚风力机叶片设计与流场仿真 D 武汉武汉理工大学 xx Liu Ke gang Wind turbineblade designand flow field simulation D WuhanWuhanUniver sityofScienceandTechnology xx 7 Mora ndH J P Ohayon R Fluid structures interaction M Chiehester JohnWileyandSons 1995 8 Zienkiew OC Coupled problemsand theirnumerica lsolution M Lewis RW Bettess P Hinton Eeds Numer i ca lMethods inCoupled Systems NewYorkjohnWiley andSonsLtd 1984 9 邢景棠 周盛 崔尔杰 等 流固耦合力学 概述 J 力学进展 1997 27 1 19 38 Xing Jing tang Zhou Chang Cui Er jie etc Fluid structure couplingmechanics overview J MechanicalProgress 1997 27 1 19 38 10 戴大农 流固耦合系统动力分析的若干基本问题与数值方 法 D 北京清华大学 1988 Dai Da nong The severalbasic problemsand numerical methodof fluid structure couplingsystem dynamicanalysis D BeijingTsinghua University 1988 11 H D Joslyn R P Dring Three dimensional flow inan axialturbine lJj ASME Journal ofTurbomachinery 1992 114 1 61 78 上接第226页 5结论针对整体叶轮五轴数控粗加工 无过切 碰撞刀位轨迹的生成问题 提出了一种刀位规划方案 通过对整体叶轮的几何分析 使用大尺寸平头铣刀去除主要毛坯余 量 完成对通道扩槽加工的预处理 更有效地提高了加工效率 缩 短了加工时间 利用算法干涉检查及处理的实际结果表明 算法易于实现 算法稳 定 能够有效实现刀位轨迹全运动过程的干涉检查与处理 因而较 好地改善加工质量 具有一定的理论价值和实用意义 参考文献l1j Waurzyniak P Five Axis MachininglJ Manufactur ingEngineering xx 132 6 47 48 50 54 2 X J Xu C Bradley Y F Zhang H r Loh Y S Wong Tool path generationfor f ive axis machining of free f ormsur facesbased onaessibility analysis J Inter national Jour nalof Production Research xx 40 14 785 814 3 Y R Hwang M C Ho C H Hu Five a xistool pathgeneration basedon discretepoint data c n inProc Precision Machiner y Manufacturing Conference Tar nkangUniversity Taipei xx 3 11 149 153 4 H T Young L 一C Chuang K Gerschwiler andS Kamps A five axis roushmachiningapproachforacentrifugalimpelle