SoidWorks風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的建模方法

2013-07-28 by:廣州SolidworksUGCatia培訓(xùn)中心來源:仿真在線

0 引言

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下稱風(fēng)力機(jī))最重要的部件之一。風(fēng)力機(jī)就是依靠風(fēng)輪把風(fēng)所具有的動能有效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并加以利用。風(fēng)輪的設(shè)計好壞對風(fēng)力機(jī)有重大影響。現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪通常是采用三葉片的上風(fēng)或下風(fēng)結(jié)構(gòu)。風(fēng)輪葉展形狀、翼型形狀與風(fēng)力機(jī)的空氣動力特性密切相關(guān)。目前,在風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片的氣動設(shè)計方面,還沒有系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計模型。一臺好的風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)盡量增加升力而減小阻力,使之盡量趨于最大值,以增加風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。葉片氣動設(shè)計主要是外形優(yōu)化設(shè)計,這是葉片設(shè)計中至關(guān)重要的一步。外形優(yōu)化設(shè)計中葉片翼型設(shè)計的優(yōu)劣直接決定風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率,在風(fēng)力機(jī)運轉(zhuǎn)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(fù)雜。針對葉片外形的復(fù)雜流動狀態(tài)以及葉片由葉型在不同方位的分布構(gòu)成,葉片葉型的設(shè)計變得非常重要。本文以Glauert渦流理論為依據(jù)設(shè)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(chǔ),根據(jù)不同的設(shè)計需要選取翼型。一般現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)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(yīng)處的相對風(fēng)速大致相同,并使其在最佳攻角值附近,使風(fēng)力盡可能多地轉(zhuǎn)換成葉片的升力,提高風(fēng)力機(jī)的利用系數(shù)。

1 風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的主要數(shù)據(jù)參數(shù)

以輝騰錫勒風(fēng)電廠所用的GAMESA公司的G52-850kW風(fēng)力機(jī)為例,該風(fēng)力機(jī)是三葉片式葉片,受風(fēng)角度可調(diào)且主動偏航的風(fēng)力機(jī)。

2 基于SolidWorks的風(fēng)輪葉片建模

Glauert渦流模型考慮了風(fēng)輪及葉片渦系對葉片氣動特性的影響,由渦流引起的誘導(dǎo)風(fēng)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(jié)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面與當(dāng)?shù)貧饬鞯膴A角,k為中間變量。

分析Glauert渦流理論設(shè)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(dāng)降低這部分葉片的弦長。另一方面,風(fēng)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(fēng)輪的功率不下降,適度加大葉片從0.5R到0.8R區(qū)域內(nèi)的弦長。應(yīng)用Glauert渦流理論設(shè)計風(fēng)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(jìn)行空氣動力學(xué)計算。相關(guān)參數(shù)有風(fēng)輪半徑R、葉素回轉(zhuǎn)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(yīng)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(xué)相關(guān)公式計算獲得)。通過CAD軟件可以模擬風(fēng)力機(jī)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(jìn)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(jìn)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(guān),各小段首尾兩段弦長關(guān)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(jìn)行放樣。利用SolidWorks插入下拉菜單的系列零件設(shè)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(jìn)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(jìn)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(fēng)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(guān)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(jìn)行編輯。葉片成型之后,設(shè)定材料,查看其質(zhì)量特性,可知其密度、質(zhì)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(jìn)行分析。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才