風(fēng)機葉片受力分析：2MW風(fēng)機葉片的結構設計及靜力學(xué)分析

　　01

　　葉片模型設計

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

　?。?１ 翼型選擇

　　風(fēng)機的運行效率與可靠性與翼型的氣動(dòng)性能密切相關(guān)，為了設計出具有更錦工能捕獲能力和低氣動(dòng)載荷的高性能葉片［７］ ，在風(fēng)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，歐美國家陸續進(jìn)行了風(fēng)力機先進(jìn)翼型的研究，研制了一批專(zhuān)用風(fēng)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(xué)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(fēng)力機上廣泛應用，本文選用ＤＵ 系列的翼型，翼型如圖１ 所示．

　?。?２ 葉片直徑設計

　　本文參考國內２ ＭＷ 風(fēng)機的各項性能參數，設計風(fēng)機葉片．因此，風(fēng)輪直徑可按式（１） 進(jìn)行估算：

　?。?３ 葉片長(cháng)和扭角設計

　　風(fēng)機葉片外形復雜，總體表現為展向扭曲，而且在展向方向上，弦長(cháng)與扭角也大小迥異，不能夠簡(jiǎn)單地將它們的特點(diǎn)進(jìn)行描述，所以在研究中多采用“分段” 法，即沿展向將葉片劃分許多“截面”，對每個(gè)“截面”的數據進(jìn)行計算，隨后對數據分析、擬合．

　　本文基于動(dòng)量理論進(jìn)行計算，利用Ｍａｔｌａｂ 中的優(yōu)化函數ｆｍｉｎｃｏｎ 進(jìn)行優(yōu)化計算，優(yōu)化目標為使風(fēng)能的轉換效率達到最大值，通過(guò)優(yōu)化目標函數公式（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：

　　條件方程：

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

　　利用Ｍａｔｌａｂ 迭代分析并進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，結果見(jiàn)圖２——５，可以看出，經(jīng)過(guò)擬合，曲線(xiàn)過(guò)渡光滑平穩．

　?。?４ ＵＧ 三維建模

　　由于風(fēng)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計，本文利用表１ 中計算的葉片弦長(cháng)ｃ和扭角θ 的值，在ＵＧ 中對導入翼型進(jìn)行縮放和扭轉，完成葉片截面圖的創(chuàng )建，利用樣條曲線(xiàn)連接各個(gè)翼型，并建立主梁，最終模型如圖６ 所示．

　　02

　　葉片鋪層設計

　?。玻?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(shù)脂基復合材料．

　?。玻?葉片鋪層設計

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

　?。保榱俗畲笙薅鹊乩美w維軸向的高性能，應用０°鋪層承受軸向載荷；±４５°鋪層用來(lái)承受剪切載荷，即將剪切載荷分解為拉、壓分量來(lái)布置纖維承載；９０°鋪層用來(lái)承受橫向載荷，以避免樹(shù)脂直接受載．

　?。玻榱颂岣呷~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，以提高結構受壓穩定性．

　?。常嫾?種鋪層，一般在０°、±４５°層板中加入９０°的鋪層，構成正交異性板．對葉片不同結構進(jìn)行鋪層設計，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(fēng)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(guān)地看出不同位置的鋪層差異．

　　03

　　靜力學(xué)分析

　?。?１ 載荷計算

　　由于風(fēng)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(fēng)機專(zhuān)用分析軟件ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算葉片表面的數據，本文利用ｂｌａｄｅｄ軟件計算風(fēng)機葉片不同部位在額定風(fēng)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(guò)選擇節點(diǎn)和曲線(xiàn)添加載荷）．

　?。?２ 應力分布規律分析

　　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，各分塊的處節點(diǎn)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律曲線(xiàn)，從圖中可以看出根部的應力基本都保持在兆帕級以上，而且力的大小呈現一個(gè)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(fēng)面，所以迎風(fēng)面的壓力較大，造成葉根部位迎風(fēng)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(xiàn)，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．

　?。?２ 葉片根部復合材料應力變化規律分析

　　圖１６～１８ 分別為葉根部位４５°、－４５°、９０°和０°鋪設角度的Ｍｉｓｅｓ 應力云圖，可以看出，由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異， 最大應力出現在４５° 的鋪層中， 為１５．２ ＭＰａ，出現在第２ 層，然后是９０°的鋪層，為１５．１９ ＭＰａ，出現在第５８ 層，再然后為４５°鋪層，為１５ ＭＰａ，出現在第１ 層，０°鋪層的應力最小，是９．７ ＭＰａ，出現在第５２ 層．從應力云圖中可以看到，隨層數的變化，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(dòng)．

　　圖２０ 為葉根部位鋪層自外向內的應力變化曲線(xiàn)，葉片根部部位單層層合板上的最大應力呈現周期性變化規律，與葉片根部鋪層的鋪設基本一致，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角度的差別．圖２１ 為其最小應力的位置改變曲線(xiàn)，由圖形可知，最小應力出現在中間靠近葉片內腔的位置，這是因為葉片受到外力的作用導致應力變化向內轉移．

　　04

　　結 論

　　運用翼型設計軟件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(shí)際工程的風(fēng)機葉片模型，通過(guò)ＧＨ Ｂｌａｄｅｄ 計算載荷以及對葉片加載分析后得到以下結論：

　?。保┰陬~定風(fēng)速下，由于葉片的承受力主要集中在迎風(fēng)面，導致葉片根部應力的大小呈現一個(gè)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．

　?。玻┩ㄟ^(guò)對葉片根部不同鋪層應力分析可知：由于復合材料的鋪設角度不同，層和板的應力存在明顯的差異，最大應力出現在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．

　?。常θ~片根部復合材料層間力分析可知，——４５°鋪層的層間應力最大，而且應力跟隨鋪設角度的不同而成周期性變化．

　　■ 來(lái)源:材料科學(xué)與工藝

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風(fēng)機葉片受力分析：散熱器風(fēng)機葉片應力測試案例

　　2020-09-05 09:54:29

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　　摘要:某散熱器風(fēng)機葉片需要做較高轉速的下應力應變試驗，驗證葉片強度設計的合理性。東方所采用滑環(huán)連接數據線(xiàn)的方式，解決了旋轉工況下應變數據難以傳輸的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗得到了關(guān)注點(diǎn)的應力數據。

　　關(guān)鍵詞:風(fēng)機葉片，應力應變試驗，滑環(huán)

　　1、項目概況

　　某型散熱風(fēng)機葉片長(cháng)度0.4米，工況下轉速較高，為驗證該型葉片強度設計的合理性，并為優(yōu)化設計提供試驗依據，需要做工況下葉片的應力應變試驗。試驗對象為旋轉部件，為解決數據傳輸的問(wèn)題，采用滑環(huán)連接應變數據線(xiàn)，并采用東方所高精度數據采集儀和應變測試分析軟件得到了各關(guān)注點(diǎn)的主應力。

　　2、測試難點(diǎn)

　　2.1 風(fēng)機為旋轉設備，數據線(xiàn)難以連接

　　風(fēng)機工況下轉速分別為1225RPM、1275RPM，測點(diǎn)在風(fēng)機葉片上，作為旋轉設備，測點(diǎn)數據線(xiàn)的連接不能采用常規的接線(xiàn)方式處理。根據試驗對象的特點(diǎn)，結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的滑環(huán)連接數據線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，成功解決這個(gè)問(wèn)題，如圖1所示。葉片和應變測點(diǎn)在滑環(huán)的轉動(dòng)端一側，數據采集儀和溫度補償片在滑環(huán)的固定端一側。

　　圖1 滑環(huán)安裝

　　2.2 風(fēng)機高速旋轉時(shí)溫度變化快，需考慮溫度的影響

　　葉片上布置三個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)采用90°三軸應變花進(jìn)行測量，測量完畢進(jìn)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果的影響，應變橋路選擇半橋的方式，每個(gè)應變花對應一個(gè)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(diǎn)

　　圖3 應變工作片和補償片固定牢固

　　2.3 現場(chǎng)電磁干擾較大，難以獲得理想的數據

　　試驗現場(chǎng)為工廠(chǎng)加工車(chē)間，現場(chǎng)各種設備會(huì )產(chǎn)生較大的電磁干擾，會(huì )對測量數據產(chǎn)生影響，導致測量數據嚴重失真。為消除電磁干擾的影響采用東方所高動(dòng)態(tài)范圍、低本底噪聲，并有防電磁干擾設計的高精度動(dòng)態(tài)數據采集儀進(jìn)行數據采集，可避免這一問(wèn)題。

　　3、測試系統

　　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數據采集儀，內置應變調理模塊

　　4、數據分析

　　4.1 工況1175RPM時(shí)，測點(diǎn)三應力分析

　　測點(diǎn)各方向在工況時(shí)受壓應力，在大概-1070微應變附近上下波動(dòng)，應變值比較穩定。

　　進(jìn)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(shí)域波形分析

　　圖5 應變花分析設置

　　圖6 應變花分析結果

　　4.2 頻譜分析

　　由上述分析可知，在風(fēng)機恒定轉速下各測點(diǎn)受到比較穩定的壓應力，應力幅值在小范圍波動(dòng)，對數據進(jìn)行頻譜分析可得到波動(dòng)頻率，以測點(diǎn)三為例，圖7為測點(diǎn)三在1275RPM時(shí)的頻譜，主頻率為21.5Hz，是該轉速的基頻，其它為基頻的倍頻。

　　圖7 頻譜分析

　　5、試驗結果

　?。?）測量旋轉部件的應變、振動(dòng)等信號，數據傳輸一向是個(gè)難題，本次試驗采用定制的高速滑環(huán)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，得到了準確的數據。

　?。?）采用東方所高精度數據采集儀和應變花分析軟件，避免了電磁干擾的影響，經(jīng)過(guò)試驗得到了風(fēng)機葉片在工況下的主應力，為驗證設計參數和后續優(yōu)化設計提供了試驗依據。

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　　風(fēng)電場(chǎng)安全生產(chǎn)及新項目生產(chǎn)準備培訓班 風(fēng)機葉片的原理、結構和運行維護

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　　風(fēng)機葉片的原理、結構和運行維護

　　潘東浩

　　風(fēng)機葉片報涉及的原理

　　風(fēng)力機獲得的能量

　　氣流的動(dòng)能

　　E=EQ EQ mv2=EQ EQ ρSv3

　　式中 m氣體的質(zhì)量

　　S風(fēng)輪的掃風(fēng)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(dòng)能，單位是W

　　二． 風(fēng)力機實(shí)際獲得的軸功率

　　P=ρSv3Cp

　　式中 P風(fēng)力機實(shí)際獲得的軸功率，單位為W；

　　ρ空氣密度，單位為kg/m3;

　　S風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，單位為m2;

　　v上游風(fēng)速，單位為m/s.

　　Cp 風(fēng)能利用系數

　　三． 風(fēng)機從風(fēng)能中獲得的能量是有限的，風(fēng)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 葉片的受力分析

　　一．作用在槳葉上的氣動(dòng)力

　　上圖是風(fēng)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(lái)流速度V和局部線(xiàn)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(guò)把dL和dD分解到平行和垂直風(fēng)輪旋轉平面上，即為風(fēng)輪的軸向推力dFn和旋轉切向力dFt。軸向推力作用在風(fēng)力發(fā)電機組塔架上，旋轉切向力產(chǎn)生有用的旋轉力矩，驅動(dòng)風(fēng)輪轉動(dòng)。

　　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(xiàn)速度U（旋轉平面）的夾角，稱(chēng)為傾斜角；

　　θ為弦線(xiàn)和局部線(xiàn)速度U（旋轉平面）的夾角，稱(chēng)為安裝角或節距角；

　　α為弦線(xiàn)和相對速度W的夾角，稱(chēng)為攻角。

　　二．槳葉角度的調整（安裝角）對功率的影響。（定槳距）

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

　　不同安裝角的功率曲線(xiàn)如下圖所示：

　　第三節

　　葉片的基本概念

　　1、葉片長(cháng)度：葉片徑向方向上的最大長(cháng)度，如圖1所示。

　　圖1 葉片長(cháng)度

　　圖1 葉片長(cháng)度

　　2、葉片面積

　　葉片面積通常理解為葉片旋轉平面上的投影面積。

　　3、葉片弦長(cháng)

　　葉片徑向各剖面翼型的弦長(cháng)。葉片根部剖面的翼型弦長(cháng)稱(chēng)根弦，葉片尖部剖面的翼型弦長(cháng)稱(chēng)尖弦。

　　圖2葉片弦長(cháng)、扭角示意圖葉片弦長(cháng)分布可以采用最優(yōu)設計方法確定，但要從制造和經(jīng)濟角度考慮，葉片的弦長(cháng)分布一般根據葉片結構強度設計

　　圖2葉片弦長(cháng)、扭角示意圖

　　要求對最優(yōu)化設計結果作一定的修正。

　　根據對不同弦長(cháng)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(xiàn)和風(fēng)輪旋轉平面的夾角，如上圖所示。

　　5、風(fēng)輪錐角

　　風(fēng)輪錐角是指葉片相對于和旋轉軸垂直的平面的傾斜度，如右圖所示。錐角的作用是在風(fēng)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(huì )。

　　6、風(fēng)輪仰角

　　風(fēng)輪的仰角是指風(fēng)輪的旋轉軸線(xiàn)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

　　葉片的設計與制造

　　在葉片的結構強度設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(fēng)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構形式，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(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂比聚酯樹(shù)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(shí)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(fēng)輪葉片一般近似是梯形的，由于它的曲面外形復雜，僅外表面結構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(fēng)機葉片受力分析：風(fēng)機葉片吊索具安裝工況中的受力分析

　　根據對大型風(fēng)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(gè)工況：水平吊裝、豎直吊裝和介于這兩個(gè)工況之間的傾斜或旋轉工況。

　　1 水平吊裝工況

　　處于水平工況時(shí)，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(lái)說(shuō)是比較合理的， 可保證葉片結構強度安全。

　　2 豎直吊裝工況

　　處于豎直吊裝工況時(shí)， 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， 為保證機構自鎖需要保持一定的壓力。在吊裝的過(guò)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)生穩定的自鎖。

　　3 旋轉或傾斜吊裝工況

　　處于傾斜位置或葉片和夾具同時(shí)旋轉中，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(gè)工況之間。

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