風機葉片受力分析：2MW風機葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計及靜力學分析

　　01

　　葉片模型設(shè)計

　　參照國內(nèi)２ ＭＷ 風力發(fā)電機葉片運行參數(shù)，本文選用三葉片風機，葉片數(shù)Ｂ ＝ ３，選取葉尖速比［６］ λ０ ＝８．

　　１.１ 翼型選擇

　　風機的運行效率與可靠性與翼型的氣動性能密切相關(guān)，為了設(shè)計出具有更錦工能捕獲能力和低氣動載荷的高性能葉片［７］ ，在風電應用初期階段，葉片外形比較小，載荷較低，對翼型的要求很低，主要選擇低速航空翼型，如ＮＡＣＡ４４系列和ＮＡＣＡ６３——２ 系列翼型等［８］ ．自２０ 世紀８０ 年代起，歐美國家陸續(xù)進行了風力機先進翼型的研究，研制了一批專用風力機翼型，如德國Ａｅｒｏｄｙｎ 公司的ＡＥ０２ 系列翼型、荷蘭的ＤＵ 翼型族、瑞典的ＦＦＡ 翼型族．其中，荷蘭的Ｄｅｌｆｔ 大學先后發(fā)展了相對厚度１５％——４０％的ＤＵ 系列翼型，而且在功率３５０——３ ５００ ｋＷ 的風力機上廣泛應用，本文選用ＤＵ 系列的翼型，翼型如圖１ 所示．

　　１.２ 葉片直徑設(shè)計

　　本文參考國內(nèi)２ ＭＷ 風機的各項性能參數(shù)，設(shè)計風機葉片．因此，風輪直徑可按式（１） 進行估算：

　　１.３ 葉片長和扭角設(shè)計

　　風機葉片外形復雜，總體表現(xiàn)為展向扭曲，而且在展向方向上，弦長與扭角也大小迥異，不能夠簡單地將它們的特點進行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向?qū)⑷~片劃分許多“截面”，對每個“截面”的數(shù)據(jù)進行計算，隨后對數(shù)據(jù)分析、擬合．

　　本文基于動量理論進行計算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的優(yōu)化函數(shù)ｆｍｉｎｃｏｎ 進行優(yōu)化計算，優(yōu)化目標為使風能的轉(zhuǎn)換效率達到最大值，通過優(yōu)化目標函數(shù)公式（２），條件方程為公式（３），利用迭代法計算軸向因子ａ 和周向因子ｂ．

　　優(yōu)化目標函數(shù)：

　　條件方程：

　　其優(yōu)化步驟為：１）根據(jù)葉素理論，沿葉片展向分成若干等截面；２）針對每截面，求解得出各個截面的軸向因子ａ、周向因子ｂ 和葉梢損失系數(shù)Ｆ；３）計算每個截面的流傾角，并根據(jù)β ＝Ｉ——α，計算每個截面的扭角；４）計算出各個截面的處的弦長；５）對計算結(jié)果進行改進．６）根據(jù)改進結(jié)果進行修正模型、建模．

　　利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并進行曲線擬合，結(jié)果見圖２——５，可以看出，經(jīng)過擬合，曲線過渡光滑平穩(wěn)．

　　１.４ ＵＧ 三維建模

　　由于風機葉片模型復雜，以及ＦＥＡ 軟件建模效果的局限性，必須借用三維軟件完成葉片精確模型的設(shè)計，本文利用表１ 中計算的葉片弦長ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中對導入翼型進行縮放和扭轉(zhuǎn)，完成葉片截面圖的創(chuàng)建，利用樣條曲線連接各個翼型，并建立主梁，最終模型如圖６ 所示．

　　02

　　葉片鋪層設(shè)計

　　２．１ 葉片材料選擇

　　本文采用目前常用的玻璃鋼材料Ｅ——玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料．

　　２．２ 葉片鋪層設(shè)計

　　在葉片運行過程中，由于環(huán)境對葉片各個部位施加的載荷不同，通常對葉片進行塊化處理，將葉片分為前緣、后緣、腹板和主梁４ 種結(jié)構(gòu)．參照國內(nèi)外和以往鋪層設(shè)計經(jīng)驗［８——１４］ ，其設(shè)計原則如下［１２］ ：

　　１）為了最大限度地利用纖維軸向的高性能，應用０°鋪層承受軸向載荷；±４５°鋪層用來承受剪切載荷，即將剪切載荷分解為拉、壓分量來布置纖維承載；９０°鋪層用來承受橫向載荷，以避免樹脂直接受載．

　　２）為了提高葉片的抗屈曲性能，除布置較大比例的０°鋪層外，也要布置±４５°鋪層，以提高結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性．

　　３）構(gòu)件應包含４ 種鋪層，一般在０°、±４５°層板中加入９０°的鋪層，構(gòu)成正交異性板．對葉片不同結(jié)構(gòu)進行鋪層設(shè)計，表２——５ 分別為葉片不同部位的鋪層順序表．

　　圖７ 為利用ＡＢＡＱＵＳ 對風機葉片不同部位建立鋪層后腹板和主梁的效果圖，從效果圖中可以直觀地看出不同位置的鋪層差異．

　　03

　　靜力學分析

　　３.１ 載荷計算

　　由于風機所處環(huán)境復雜，葉片表面載荷難以準確的計算和測量，一般都是利用風機專用分析軟件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算葉片表面的數(shù)據(jù)，本文利用ｂｌａｄｅｄ軟件計算風機葉片不同部位在額定風速下的載荷［１６］ ，將分析所得載荷加載在葉片表面，葉片加載位置和加載力與扭矩的大小如圖８ 和表６ 所示（在ＡＢＡＱＵＳ 中通過選擇節(jié)點和曲線添加載荷）．

　　３.２ 應力分布規(guī)律分析

　　由圖９ 葉片應力云圖可以看出，應力最大的位置出現(xiàn)在根部，而且分布較為復雜，其最大值為１５ ＭＰａ．此外，應力從葉根部位向葉尖部位逐漸減小，各分塊的處節(jié)點應力值的變化如圖１０——１５ 所示．圖１０ 為葉片根部截面的應力變化規(guī)律曲線，從圖中可以看出根部的應力基本都保持在兆帕級以上，而且力的大小呈現(xiàn)一個正態(tài)分布的形式，其原因是葉片的承受力主要集中在迎風面，所以迎風面的壓力較大，造成葉根部位迎風面的壓力大于壓力面．

　　圖１０、圖１１ 分別為后緣和前緣部位葉根到葉尖的應力變化曲線，可以看出：葉片表面的應力是從葉根向葉尖部位逐漸變小，而且在局部地方還有應力集中；后緣部位的應力突變的部位比前緣的多，而且變化更為嚴重，這是由于葉片翼型的后緣曲率較大，變化快，造成后緣應力集中部位較多．

　　３.２ 葉片根部復合材料應力變化規(guī)律分析

　　圖１６～１８ 分別為葉根部位４５°、－４５°、９０°和０°鋪設(shè)角度的Ｍｉｓｅｓ 應力云圖，可以看出，由于復合材料的鋪設(shè)角度不同，層和板的應力存在明顯的差異， 最大應力出現(xiàn)在４５° 的鋪層中， 為１５．２ ＭＰａ，出現(xiàn)在第２ 層，然后是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ，出現(xiàn)在第５８ 層，再然后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ，出現(xiàn)在第１ 層，０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ，出現(xiàn)在第５２ 層．從應力云圖中可以看到，隨層數(shù)的變化，葉片上的應力差異在逐漸減小，而且應力最大的部位向葉片根部連接端移動．

　　圖２０ 為葉根部位鋪層自外向內(nèi)的應力變化曲線，葉片根部部位單層層合板上的最大應力呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，與葉片根部鋪層的鋪設(shè)基本一致，雖然相同角度的不同位置的鋪層上的應力有一定的差異，但總體上差異遠小于鋪設(shè)角度的差別．圖２１ 為其最小應力的位置改變曲線，由圖形可知，最小應力出現(xiàn)在中間靠近葉片內(nèi)腔的位置，這是因為葉片受到外力的作用導致應力變化向內(nèi)轉(zhuǎn)移．

　　04

　　結(jié) 論

　　運用翼型設(shè)計軟件Ｐｒｏｆｉｌｉ、分析軟件Ｍａｔｌａｂ以及三維制圖軟件ＵＧ 和ＡＢＡＱＵＳ，能夠創(chuàng)建更貼近實際工程的風機葉片模型，通過ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算載荷以及對葉片加載分析后得到以下結(jié)論：

　　１）在額定風速下，由于葉片的承受力主要集中在迎風面，導致葉片根部應力的大小呈現(xiàn)一個正態(tài)分布的形式，應力大小基本保持在兆帕級，最大應力為１５ ＭＰａ．

　　２）通過對葉片根部不同鋪層應力分析可知：由于復合材料的鋪設(shè)角度不同，層和板的應力存在明顯的差異，最大應力出現(xiàn)在４５°的鋪層中，為１５．２ ＭＰａ；第二是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ；之后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ； ０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ．

　　３）對葉片根部復合材料層間力分析可知，——４５°鋪層的層間應力最大，而且應力跟隨鋪設(shè)角度的不同而成周期性變化．

　　■ 來源:材料科學與工藝

　　猜你喜歡

風機葉片受力分析：散熱器風機葉片應力測試案例

　　2020-09-05 09:54:29

　　閱讀次數(shù):2841

　　資源下載:

　　摘要:某散熱器風機葉片需要做較高轉(zhuǎn)速的下應力應變試驗，驗證葉片強度設(shè)計的合理性。東方所采用滑環(huán)連接數(shù)據(jù)線的方式，解決了旋轉(zhuǎn)工況下應變數(shù)據(jù)難以傳輸?shù)膯栴}，經(jīng)過試驗得到了關(guān)注點的應力數(shù)據(jù)。

　　關(guān)鍵詞:風機葉片，應力應變試驗，滑環(huán)

　　1、項目概況

　　某型散熱風機葉片長度0.4米，工況下轉(zhuǎn)速較高，為驗證該型葉片強度設(shè)計的合理性，并為優(yōu)化設(shè)計提供試驗依據(jù)，需要做工況下葉片的應力應變試驗。試驗對象為旋轉(zhuǎn)部件，為解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，采用滑環(huán)連接應變數(shù)據(jù)線，并采用東方所高精度數(shù)據(jù)采集儀和應變測試分析軟件得到了各關(guān)注點的主應力。

　　2、測試難點

　　2.1 風機為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，數(shù)據(jù)線難以連接

　　風機工況下轉(zhuǎn)速分別為1225RPM、1275RPM，測點在風機葉片上，作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備，測點數(shù)據(jù)線的連接不能采用常規(guī)的接線方式處理。根據(jù)試驗對象的特點，結(jié)合東方所豐富的工程經(jīng)驗，采用了定制的適用于高速旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)連接數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，成功解決這個問題，如圖1所示。葉片和應變測點在滑環(huán)的轉(zhuǎn)動端一側(cè)，數(shù)據(jù)采集儀和溫度補償片在滑環(huán)的固定端一側(cè)。

　　圖1 滑環(huán)安裝

　　2.2 風機高速旋轉(zhuǎn)時溫度變化快，需考慮溫度的影響

　　葉片上布置三個測點，每個測點采用90°三軸應變花進行測量，測量完畢進行應變花分析得到主應力，如圖2所示。

　　為避免溫升對測量結(jié)果的影響，應變橋路選擇半橋的方式，每個應變花對應一個溫度補償片，溫度補償片粘貼在與被測對象相同的材料上，并放置在靠近葉片的位置固定，如圖3所示。

　　圖2 應變測點

　　圖3 應變工作片和補償片固定牢固

　　2.3 現(xiàn)場電磁干擾較大，難以獲得理想的數(shù)據(jù)

　　試驗現(xiàn)場為工廠加工車間，現(xiàn)場各種設(shè)備會產(chǎn)生較大的電磁干擾，會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，導致測量數(shù)據(jù)嚴重失真。為消除電磁干擾的影響采用東方所高動態(tài)范圍、低本底噪聲，并有防電磁干擾設(shè)計的高精度動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，可避免這一問題。

　　3、測試系統(tǒng)

　　3.1 分析軟件

　　· DASP V11工程版平臺軟件

　　· DASP V11應變花分析軟件

　　3.2 采集硬件

　　16通道24位INV3062V數(shù)據(jù)采集儀，內(nèi)置應變調(diào)理模塊

　　4、數(shù)據(jù)分析

　　4.1 工況1175RPM時，測點三應力分析

　　測點各方向在工況時受壓應力，在大概-1070微應變附近上下波動，應變值比較穩(wěn)定。

　　進行應變花分析，圖6中所示光標處應變最大主應力-11.71MPa，最小主應力-11.21MPa，第四強度理論等效應力11.19MPa，切應力0.017MPa，最大主應力角度-19°。

　　圖4 時域波形分析

　　圖5 應變花分析設(shè)置

　　圖6 應變花分析結(jié)果

　　4.2 頻譜分析

　　由上述分析可知，在風機恒定轉(zhuǎn)速下各測點受到比較穩(wěn)定的壓應力，應力幅值在小范圍波動，對數(shù)據(jù)進行頻譜分析可得到波動頻率，以測點三為例，圖7為測點三在1275RPM時的頻譜，主頻率為21.5Hz，是該轉(zhuǎn)速的基頻，其它為基頻的倍頻。

　　圖7 頻譜分析

　　5、試驗結(jié)果

　　（1）測量旋轉(zhuǎn)部件的應變、振動等信號，數(shù)據(jù)傳輸一向是個難題，本次試驗采用定制的高速滑環(huán)很好的解決了這個問題，得到了準確的數(shù)據(jù)。

　　（2）采用東方所高精度數(shù)據(jù)采集儀和應變花分析軟件，避免了電磁干擾的影響，經(jīng)過試驗得到了風機葉片在工況下的主應力，為驗證設(shè)計參數(shù)和后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供了試驗依據(jù)。

風機葉片受力分析：風機葉片原理及結(jié)構(gòu).doc

　　風電場安全生產(chǎn)及新項目生產(chǎn)準備培訓班 風機葉片的原理、結(jié)構(gòu)和運行維護

　　WORD格式可編輯

　　PAGE 112

　　專業(yè)技術(shù)資料整理分享

　　風機葉片的原理、結(jié)構(gòu)和運行維護

　　潘東浩

　　風機葉片報涉及的原理

　　風力機獲得的能量

　　氣流的動能

　　E=EQ EQ mv2=EQ EQ ρSv3

　　式中 m氣體的質(zhì)量

　　S風輪的掃風面積，單位為m2

　　v氣體的速度,單位是m/s

　　ρ空氣密度，單位是kg/m3

　　E 氣體的動能，單位是W

　　二． 風力機實際獲得的軸功率

　　P=ρSv3Cp

　　式中 P風力機實際獲得的軸功率，單位為W；

　　ρ空氣密度，單位為kg/m3;

　　S風輪的掃風面積，單位為m2;

　　v上游風速，單位為m/s.

　　Cp 風能利用系數(shù)

　　三． 風機從風能中獲得的能量是有限的，風機的理論最大效率

　　η≈0.593

　　即為貝茲（Betz）理論的極限值。

　　第二節(jié) 葉片的受力分析

　　一．作用在槳葉上的氣動力

　　上圖是風輪葉片剖面葉素不考慮誘導速度情況下的受力分析。在葉片局部剖面上，W是來流速度V和局部線速度U的矢量和。速度W在葉片局部剖面上產(chǎn)生升力dL和阻力dD，通過把dL和dD分解到平行和垂直風輪旋轉(zhuǎn)平面上，即為風輪的軸向推力dFn和旋轉(zhuǎn)切向力dFt。軸向推力作用在風力發(fā)電機組塔架上，旋轉(zhuǎn)切向力產(chǎn)生有用的旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。

　　上圖中的幾何關(guān)系式如下：

　　Φ=θ+α

　　dFn=dDsinΦ+dLcosΦ

　　dFt=dLsinΦ-dDcosΦ

　　dM=rdFt=r(dLsinΦ-dDcosΦ)

　　其中，Φ為相對速度W與局部線速度U（旋轉(zhuǎn)平面）的夾角，稱為傾斜角；

　　θ為弦線和局部線速度U（旋轉(zhuǎn)平面）的夾角，稱為安裝角或節(jié)距角；

　　α為弦線和相對速度W的夾角，稱為攻角。

　　二．槳葉角度的調(diào)整（安裝角）對功率的影響。（定槳距）

　　改變槳葉節(jié)距角的設(shè)定會影響額定功率的輸出，根據(jù)定槳距風力機的特點，應當盡量提高低風速時的功率系數(shù)和考慮高風速時的失速性能。定槳距風力發(fā)電機組在額定風速以下運行時，在低風速區(qū)，不同的節(jié)距角所對應的功率曲線幾乎是重合的。但在高風速區(qū)，節(jié)距角的變化，對其最大輸出功率（額定功率點）的影響是十分明顯的。事實上，調(diào)整槳葉的節(jié)距角，只是改變了槳葉對氣流的失速點。根據(jù)實驗結(jié)果，節(jié)距角越小，氣流對槳葉的失速點越高，其最大輸出功率也越高。這就是定槳距風力機可以在不同的空氣密度下調(diào)整槳葉安裝角的根據(jù)。

　　不同安裝角的功率曲線如下圖所示：

　　第三節(jié)

　　葉片的基本概念

　　1、葉片長度：葉片徑向方向上的最大長度，如圖1所示。

　　圖1 葉片長度

　　圖1 葉片長度

　　2、葉片面積

　　葉片面積通常理解為葉片旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積。

　　3、葉片弦長

　　葉片徑向各剖面翼型的弦長。葉片根部剖面的翼型弦長稱根弦，葉片尖部剖面的翼型弦長稱尖弦。

　　圖2葉片弦長、扭角示意圖葉片弦長分布可以采用最優(yōu)設(shè)計方法確定，但要從制造和經(jīng)濟角度考慮，葉片的弦長分布一般根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

　　圖2葉片弦長、扭角示意圖

　　要求對最優(yōu)化設(shè)計結(jié)果作一定的修正。

　　根據(jù)對不同弦長分布的 計算，梯形分布可以作為最好的近似。

　　4、葉片扭角

　　葉片各剖面弦線和風輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角，如上圖所示。

　　5、風輪錐角

　　風輪錐角是指葉片相對于和旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面的傾斜度，如右圖所示。錐角的作用是在風輪運行狀態(tài)下減少離心力引起的葉片彎曲應力和防止葉尖和塔架碰撞的機會。

　　6、風輪仰角

　　風輪的仰角是指風輪的旋轉(zhuǎn)軸線和水平面的夾角，如上圖所示。仰角的作用是避免葉尖和塔架的碰撞。

　　第四節(jié)

　　葉片的設(shè)計與制造

　　在葉片的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中要充分考慮到所用材料的疲勞特性。首先要了解葉片所承受的力和力矩，以及在特定的運行條件下風負載的情況。在受力最大的部位最危險，在這些地方負載很容易達到材料承受極限。

　　葉片的重量完全取決于其結(jié)構(gòu)形式，目前生產(chǎn)的葉片，多為輕型葉片，承載好而且很可靠。

　　目前葉片多為玻璃纖維增強復合材料（GRP），基體材料為聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂強度高，材料疲勞特性好，且收縮變形小。聚酯材料較便宜，它在固化時收縮大，在葉片的連接處可能存在潛在的危險，即由于收縮變形在金屬材料與玻璃鋼之間可能產(chǎn)生裂紋。

　　水平軸風輪葉片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形復雜，僅外表面結(jié)構(gòu)就需要很高的制造費用。使用復合材料可以改變這種狀況，只是在模具制造工藝上要求高些。葉片的模具由葉片上、下表面的反切面樣板成型，在模具中

風機葉片受力分析：風機葉片吊索具安裝工況中的受力分析

　　根據(jù)對大型風電機組葉片安裝工藝的分析，葉片在吊索具吊裝操作中，受力可歸納為3個工況：水平吊裝、豎直吊裝和介于這兩個工況之間的傾斜或旋轉(zhuǎn)工況。

　　1 水平吊裝工況

　　處于水平工況時，葉片前緣向地面，尖部夾具的最下2塊夾板和大梁上的2塊夾板承擔整只葉片的絕大部分重力載荷。由大梁處施加壓力提供摩擦力，前緣提供支撐力，這對葉片受載來說是比較合理的， 可保證葉片結(jié)構(gòu)強度安全。

　　2 豎直吊裝工況

　　處于豎直吊裝工況時， 葉片的根部朝向天空，葉片被根部夾具卡住而不能滑落。葉片的形狀能形成自鎖， 為保證機構(gòu)自鎖需要保持一定的壓力。在吊裝的過程中，應該盡量減少葉片與夾具的相對滑移，即施加夾持壓力使根部夾具與葉片之間產(chǎn)生穩(wěn)定的自鎖。

　　3 旋轉(zhuǎn)或傾斜吊裝工況

　　處于傾斜位置或葉片和夾具同時旋轉(zhuǎn)中，葉片靠夾具表面的摩擦力和根部夾具提供的機械力而不能滑落。受力情況在水平以及豎直2個工況之間。

羅茨高壓鼓風機 羅茨鼓風機功率 羅茨鼓風機組工作原理 三葉羅茨鼓風機維修部

山東錦工有限公司
地址：山東省章丘市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)
電話：0531-83825699
傳真：0531-83211205
24小時銷售服務電話：15066131928