大型风力发电机叶片强度分析及发展趋势研究_李会康.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering100近些年来，随着化石能源的日益枯竭加之由此引发的严重的环境危机，人们的环保意识日益加强，对清洁能源越发地渴望和重视。风能作为一种可再生能源，因其环保生产成本日益降低等诸多特点而备受人们的青睐，许多国家都加大了对风力发电机的研究。作为风力发电机核心部位之一的风机叶片承担着将风能转化为电能的重要角色，近些年来，许多科研技术人员致力于叶片性能的优化和强度分析等等，由此可见对风机叶片的研究有着极其重要的意义和价值。纵观当今关于风机叶片的研究成果，可以说涵盖了关于叶片的绝大部分的领域，为当今风机叶片的发展起到了极大地推动作用。然而，相较于叶片各种特性的研究，有关叶片本身制作工艺的研究却相对较少。事实上，由于叶片尺寸的不断增加，叶片本身的制作也是一大难点，大型模具的尺寸和精度直接影响到了叶片的性能，所以说关于模具的技术和成本也是必须要考虑的。现今，叶片的制作多才用的是闭模工艺（诸如真空树脂导入模塑法），这样确实可以精确控制材料的制作以及减少有害物质的散发，但是其巨大的模型制作比较困难以及模具中材料的凝固时间也会比较长，如何能够进一步提高叶片制作工艺是困扰研究员的又一大难点。所以，有必要对叶片的制作工艺做进一步的研究，完善叶片制作技术，保证叶片质量。另外，现阶段是智能化的阶段，传统的叶片制作管理系统已经无法适应新时代的要求。所以，将来的风机叶片应当是智能化的产物，并依托全自动化的监控系统，对运行状态、产电功率等等多方面进行自动调整，提高其自适应性，进而不断地优化叶片的运行状态，提高叶片的运行成效，促进我国风电事业更加健康、智能的发展。ANSYS 软件自推出至今，已经发展成为功能强大的图形功能完备的有限元软件，并且广泛地应用于各大工程领域，有助于人们对工程实践中遇到的复杂情况作更深一步的分析。基于 ANSYS 有限元分析软件如此强大的计算分析功能，本文致力于构建风机叶片有限元模型，对风机叶片应力等进行计算分析。1 基于材料力学的叶片简化模型1.1 构造思路风机叶片在自然界中运行时，所受到的作用力是极其复杂、难测的。鉴于当前所学知识，本人主要根据理论力学以及材料力学课本中的理想化模型对叶片做一个简化处理，以便更容易进行关键节点的应力分析等。所以，在这里主要考虑的是重力、空气动力以及气动弯矩对风机叶片的影响。1.2 处理方法以及应力解析解考虑到叶片在正常运转状态下，应当作定轴转动运动，根据理论力学中达朗贝尔原理，在叶片中心轮毂处虚加切向和法向的惯性力以及惯性力矩，惯性力矩设为逆时针方向（本文假定叶片顺时针旋转），法向惯性力沿叶片向外，切向惯性力垂直于叶片向上，如图 1 所示。图 1 中，mg 表示简化模型的质量，在这里简化到大型风力发电机叶片强度分析及发展趋势研究李会康束志鹏刘升贵（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院 北京市 100083）摘要：本文基于 ANSYS-Workbench 有限元软件构建风力发电机叶片模型，以四边形单元对模型进行网格划分并施加特定的约束，得到叶片在载荷作用下的应力、应变和变形 3 类云图。将计算得到的数值与基于理论力学和材料力学计算得到的理论值进行比较分析，对运行中的风机叶片作进一步分析。关键词：风力发电机；风机叶片；强度分析；ANSYS 有限元建模电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering101质心上；q 表示叶片所受到的理想载荷；M、Fx、Fy 分别表示去掉左端约束后施加的力矩以及沿 X 方向和 Y方向的力；MI、FIn、FIt 分别表示惯性力矩以及虚加在端点的沿法线方向和切线方向的惯性力，以上所施加的惯性力及力矩大小为：。式中 J 代表叶片的转动惯量；代表叶片旋转时的角加速度；w 代表叶片的角速度；L 表示叶片的总长度。基于以上的假设和分析，在距离端点为 x 处，可以根据材料力学的公式计算出简化模型中质心左侧和质心右侧任意一点理想应力的解析解，分别为：据此，绘制出其沿轴线方向的应力变化曲线（图2）。下面计算最大应力点的解析解：根据达朗贝尔原理，可以列出关于中心轮毂的力矩平衡方程：。式中，m表示的是单个叶片的总质量；q 代表的是风力载荷。而后，结合材料力学中关于弯曲正应力的计算公式：。式中 IZ 代表的是极惯性矩，在这里，取极惯性矩；r 表示的是截面上一点到中性轴的距离，在这里取；M 表示该界面上所受到的力矩。根据以上设定求解理想模型中最大应力点的应力解析解为：2 有限元建模 2.1 叶片模型的构建在进入 Workbench 之后，通过静态结构中的几何结构界面创建风机叶片的几何模型。本文设定的风力发电机功率为 2.3 MW，如图 3 所示。图 1：理想模型下的受力分析图 2：随轴线变化的应力曲线图图 3：风力发电机叶片模型图 4：风力发电机叶片的网格划分电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1022.2 划分网格以及施加荷载网格划分是ANSYS有限元分析中一个重要的环节，划分方式也将会直接决定计算的精度以及最终的结果。经分析决定，选择以四边形为单位，单元尺寸设置为 10 mm，由此共划分出节点 2720835 个，单元 664100 个，示意图见图4。与此同时，在风机叶片根部施加固定支撑，叶片压力面上施 1000 Pa 风压。2.3 计算结果经过上述操作后进行求解即可得到风机叶片总变形、等效应变以及等效应力云图，具体示意图如图5-图7。3 误差分析根据以上计算得最大应力点的理论值为：1.7463 Mpa，而应用 ANSYS 有限元软件建模得到的数据为1.9254 Mpa，精确度为 90.69%，可见仍然存在着不小的误差。经分析，两者之间误差产生的原因可能有：对于叶片模型的简化存在着不合理的地方，实际中的风机叶片形状以及截面复杂且为了应对复杂多变的自然环境，其材料多采用复合制成如玻璃纤维等而非单一制成，所以在简化模型时在这方面欠妥致使存在误差。由于风机叶片材质复杂且质量也不均匀等原因，对其惯性矩的测量操作困难，所以在计算时，用等直杆的转动惯量代替了叶片的转动惯量致使转动惯量的计算结果比实际值偏大。另外，由于叶片独特的外形设计，作用在叶片表面的风力载荷也不可能是均匀分布的，根据叶素理论可以对作用在叶片翼型上的空气动力做更加精确的计算分析。事实上，现实世界中风机叶片的运转不只是受外界风力等因素的影响，人们往往通过发挥自身能动性进行人为的干预，使之达到既定的目的。现如今，大型风力发电机（诸如 10 兆瓦大型风力发电机）已经得到了广泛地应用，管理人员有时会在叶片上通过添加增功部件（如涡流发生器、扰流板等）的方式来优化叶片性能，使之能够进一步提高产电效率。另外一点，本人也在前文中有所提及，伴随着信息科学技术的持续快速发展，现阶段的风力发电机也在不断地智能化、自动化来适应生产生活的要求，监管系统会根据叶片的运行状态进行实时检测调整，而绝非任其自行运转而不加管理。因此，我们构造的模型的受力状态与真实环境中的风机叶片实际所受到的状态还存在差异。所以说，我们在工程应用中要注意到这一点，重视智能设备在叶片性能调整方面起到的重要作用。在工程应用中，可以重视智能创新与风机叶片设计的结合，采用更加先进的设备来提高叶片图 5：叶片总变形云图图 6：叶片等效应变云图图 7：叶片等效应力云图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering103的性能。除此之外，还要将更加优质的管理模式纳入到整个发展规划中，提倡创新，鼓励探索。4 结论（1）基于 ANSYS 的有限元系统对风机叶片进行建模分析，我们可以更加形象直观地分析出风机叶片在风力载荷作用下的应力、应变以及总变形情况。另外，对于风机叶片的危险截面也有了清晰地认识，从云图中可以看出，在风载荷的作用下，风机叶片会有一定程度的变形，对其中变形较大处以及应力最大点处的材料属性应当额外的重视，确保材料的强度和刚度采，对有明显损坏倾向处要着重采取预防措施。由此可见，基于 ANSYS 的上述分析，对于叶片的生产制作也具有一定的指导价值。（2）应用材料力学和理论力学的相关知识确实可以在一定程度上对风机叶片的受力特征包括危险截面等等进行初步的理论上的分析，得到的结果也具有一定的可靠性。但鉴于叶片本身的属性，我们在对模型进行简化以及数值计算时，应当尽量贴近实际中的风机叶片，否则将会造成比较大的误差。参考文献1 彭斌,张立翔.基于 ANSYS 的风力发电机叶片的模态分析 J.中国水运,2018(10).2 陈勇,张小雷,郎泽萌.风力发电机发展现状及进展研究 J.智能电网,2020.3 李明,田德,王海宽,等.风力发电机组叶片动态测试实验与分析 J.内蒙古农业大学学报,2011(01).4 黄忠.风力发电机复合材料叶片的结构应力分析和健康监测 D.哈尔滨工业大学(硕士学位论文),2010.5 杨家欢，宗哲英，王祯，等.风机叶片检测的研究现状及进展 J.复合材料科学与工程,2020.6 阎飞宇，郭涛，高宇晨.风力发电机发展现状及研究进展 J.电站系统工程,2022(05).7 江兵.MW 级直驱风力发电机叶片载荷分析及疲劳寿命估算D.太原理工大学(硕士学位论文),2015.8 黄仕彪.基于 ANSYS 的叶片模态分析与创新设计J.现代机械,2010.9 司敏劼，陈振斌，郑玉巧.基于 ANSYS 兆瓦风力发电机叶片疲劳寿命分析J.现代制造工程（Modern Manufacturing Engineering）,2016.10 赵娜，李军向，李成良.基于 ANSYS 建模的风力机叶片模态分析及稳定性分析 J.玻璃钢/复合材料，2010(11).11 蔡新,常鹏举，郭兴文，等.基于 ANSYS 与 nCode联合仿真的风力机叶片疲劳分析 J.可再生能源,2021(10).12 陈斌杰.浅析风机叶片常见故障原因及处理措施J.科技创业家,2012(10).13 李剑.基于效率提升的风机叶片优化设计和应用研究 J.产业研究机械冶金,2021.14 杨家欢，宗哲英，王祯，等.风机叶片检测的研究现状及进展 J.复合材料科学与工程,2020.15 李奎，印厚飞，杨智，等.风机叶片智能化及应用J.科技创新与应用,2020.16 从日强，张永，王健.环境因素对风机叶片内部损伤的影响 J.科技视野,2022(10).17 李春雷,王洪江,尹常永,等.风机叶片故障诊断技术的研究进展 J.沈阳工程学院学报(自然科学版)，2022(07).作者简介李会康（2001-），男，山东省德州市人。大学本科在读。研究方向为固体力学方向。束志鹏（2002-），男，安徽省合肥市人。大学本科在读。研究方向为固体力学。刘升贵（1978-），男，四川省宜宾市人。博士，副教授，主要研究领域为工程力学、流体力学教学科研工作。