風力機組關鍵部件運動學與動力學仿真研究

張光輝

(中色科技股份有限公司, 河南 洛陽 471003)

風力機組關鍵部件運動學與動力學仿真研究

張光輝

(中色科技股份有限公司, 河南 洛陽471003)

以風力發電機組為研究對象,采用動量葉素理論計算葉片在不同風速下的氣動載荷,在三維軟件Solidworks中建立了葉片、輪轂、機艙和塔架等關鍵功能部件的三維模型,在Ansys中對葉片和塔架進行柔性化處理,生成葉片和塔架的MNF文件,建立了風力機組關鍵功能部件的ADAMS剛柔耦合多體系統動力學模型.將計算的載荷均勻加載到風力機組的葉片上,對風力機在風速由5m/s變化到25m/s的過程進行仿真,得到葉片和塔架的振動變形特性曲線.該仿真能夠很好地模擬風力機的振動變形特性,為風力機的虛擬樣機仿真提供了一種可行的方法.

風力發電機組; 動量葉素理論; 剛柔耦合; 運動學與動力學分析; 仿真

0 前 言

水平軸風力發電機系統是一個非線性流剛柔耦合的多體動力學系統,機械結構和運動規律非常復雜.在建立動力學模型時,必須考慮葉片的幾何非線性和大變形運動,機艙偏航過程的剛體運動,塔架的彈性變形,以及復雜多變的氣動載荷等因素的影響.水平軸風力機的葉片作為彈性體,在運行過程中受到氣動載荷、彈性力、離心力和重力的作用,這些力耦合在一起會引起不穩定的振動,這種不穩定振動是導致葉片破壞的重要原因之一.因此,葉片的氣彈穩定性問題一直是人們關注的焦點.在風輪旋轉的過程中,塔架頂端會受到來自風輪的周期性激勵和氣動載荷的影響,這種激勵會引起塔架的前后振動,塔架的振動和葉片的振動耦合到一起,往往會導致風力機組的破壞.因此,研究風力發電機組的振動變形特性非常必要.本文建立了風力機組關鍵功能部件的剛柔耦合動力學模型,通過仿真得到葉片和塔架的振動變形特性曲線,為風力機運動學和動力學仿真研究進行了一次有益的探索.

1 葉片氣動載荷計算

動量葉素理論假設作用于葉素上的力僅和通過葉素掃過圓環的氣體的動量變化有關,可以通過用微元截面上入射合速度攻角的二維翼型特性計算得出.因此,可以假定鄰近圓環的氣流之間不發生徑向干涉作用,忽略順葉片展向的速度分量和三維效應.在葉片的某一徑向位置上的氣流速度分量用風速來表示,知道攻角和升、阻系數以及每個葉素上的軸、切向誘導因子,最終求出在一定風速下作用在葉素上的氣動載荷[1].

設風輪旋轉角速度為Ω、葉素弦長為L,漿距角為β,考慮半徑r處展向長度為δr的葉素,其切向速度為Ωr,相應的尾流切向速度分量為α′Ωr,當風速v∞作用于其上時,兩者形成的合成速度為:

(1)

式中:a為垂直風輪旋轉平面的軸向氣流誘導因子;α′為切向氣流速度誘導因子.

葉素界面處氣流速度的幾何關系如圖1所示.

圖1 葉素界面處氣流速度的幾何關系Fig.1 Geometric relation of air velocity around blade element interface

氣流作用在葉素上產生的升力和阻力如圖2所示.當氣流流經翼型表面時,將產生垂直于氣流方向的生力dFL和平行于氣流方向的阻力dFD.

作用在翼型表面的升力dFL和阻力dFD為:

(2)

(3)

式中:W為氣流對葉素的相對速度;ρ為空氣密度;L為距轉軸r處的翼型弦長;CL、CD分別為升力系數和阻力系數,該值有所選翼型決定.

圖2 作用在葉片上的升力和阻力Fig.2 Lift and drag upon blade

把風輪旋轉平面作為參考平面,將dFL和dFD分別投影到轉軸和圓周速度上如圖3所示.

圖3 葉素氣動力的法向分量和切向分量Fig.3 Normal component and tangential component of blade aerodynamic force

作用在風輪半徑r處,寬度為δr葉素上的氣動力法向分量為

(4)

作用在風輪半徑r處,寬度為δr葉素上的氣動力切向分量為

(5)

為了計算葉素微元上的氣動載荷,必須計算風輪旋轉面中的軸向誘導因子α和切向誘導因子α′.α和α′可通過下面兩式迭代求得.

(6)

根據動量葉素理論,將葉片模型沿展向分成12個葉素微元,在Matlab中編程計算得到葉片分別在風速為5,10,15,20和25 m/s時受到的氣動載荷.各種風速下的氣動載荷的大小和變化趨勢如圖4所示.

圖4 載荷大小和變化趨勢Fig.4 Trend of magnitude of load and variation

2 風力機關鍵部件仿真模型的建立

2.1 風力機組關鍵的三維建模

風力發電機組主要由葉片、塔架、機艙和塔架等關鍵部件組成,本文選取了葉片的技術參數,采用NACA系列翼型對葉片進行建模,通過坐標變換把翼型數據轉換到相應葉素截面的三維空間坐標,生成葉素截面曲線,然后沿導引線掃描生成葉片的三維實體模型,實現了葉片的精確建模[2].根據仿真的需要,對風力機組的其他結構進行了相應的簡化,完成整機關鍵功能部件的三維模型的建模,在Solidworks裝配環境下進行裝配,為后面的仿真打下了基礎.圖5為風力發電機組的三維模型.

圖5 風力發電機三維模型Fig.5 Wind turbine’s 3D model

2.2 剛柔耦合模型的建立

把在Solidworks建立的三維模型通過接口導入到ADAMS中,通過添加材料屬性和約束建立風力機組關鍵部件的多剛體動力學模型.在風機實際運行過程中,葉片和塔架的變形比較大,需要對葉片和塔架進行柔性化處理.因此,必須對葉片和塔架進行模態分析,然后生成葉片和塔架的模態中性文件,最后導入到ADAMS中替換掉原剛體,進行剛柔耦合,才能進行關鍵部件的柔性多體動力學分析[3-4].

葉片和塔架的模態分析在有限元分析軟件Ansys中進行,主要是求得葉片和塔架的各階固有頻率和振型,結果見表1.

表1 葉片和塔架的固有頻率分析結果Tab.1 Analysis result of blade and nacelle’s natural frequency

將前面分析得到的葉片的塔架的MNF文件導入到ADAMS中,替換掉原剛體,最終生成的剛柔耦合多體系統動力學模型如圖6所示[5-8].

2.3 氣動載荷的加載

前面計算得到的氣動載荷僅僅是幾種不同風速下的氣動載荷.用STEP函數將載荷按風速由5 m/s變化到25 m/s的過程均勻加載到葉片上,STEP函數為三次樣條曲線,這樣能夠比較理想地反應葉片上氣動載荷實際的變化過程[9].氣動載荷加載后的模型如圖7所示.

圖6 剛柔耦合模型Fig.6 Rigid-flexible coupling model

圖7 加載后的動力學模型Fig.7 Dynamical model after reload

3 仿真結果分析

以上述建好的風力發電機組關鍵功能部件剛柔耦合多體系統動力學模型為對象,在風向恒定的情況下,當葉輪轉速為16 r/min時,對風速從5 m/s均勻變化到25 m/s的過程進行仿真,得到葉片和塔架的運動學與動力學特性的變化情況[10-11].仿真結果如圖8所示.

風力發電機組的葉片和塔架都是柔性體,在運行過程中,氣動載荷、彈性力、重力和離心力之間相互耦合,因此變形過程是一個氣彈耦合過程,表現在葉片尖部和塔架頂部的變形是振蕩的. 由上面的仿真分析結果可以看出,在風速逐漸增大的過程中,葉片尖部的振動變形較大,葉片中部的振動變形較小,塔架頂端的振動變形相對更小.由于阻尼的存在,葉片尖部和中部的位移、速度和加速度是周期性衰減變化的,葉片尖部的變形量趨于穩定值2.3 m,變形速度趨于0.5 m/s,變形加速度趨于20 m/s2;由于塔架本身的剛度較大,振動變形相對葉片來說是很小的,塔架頂端的變形趨于0.062 m,變形速度趨于0.04 m/s,變形加速度趨于0.27 m/s2;有葉片的最大變形可知,風輪在旋轉過程中不會與塔架發生干涉,這說明整機的氣動彈性是良好的.

圖8 仿真結果Fig.8 Results of simulation

4 結 論

本文以風力發電機組關鍵部件的剛柔耦合動力學模型為研究對象,對風速由5～25 m/s的變化過程進行了仿真,得到了葉片和塔架的振動變形特性曲線,對風力機的振動特性進行了一次有益的探索,并得到以下結論:

(1) 葉片作為一個柔性體,在風機運行過程中,葉尖部位的位移、變形速度和加速度都是很大的,振動變形過程比較劇烈.葉片的振動變形過程是氣動載荷、彈性力、重力和離心力相互耦合的結果.

(2) 由于風輪的旋轉平面和豎直面有一定的夾角,風輪旋轉過程中葉片的重力和氣動載荷給塔架的頂部一個周期性的激勵,因此塔架頂部的位移、速度和加速度也是周期性變化的.塔架本身的剛度較大,所以和葉片的振動變形相比,塔架的振動變形比較小.

[1]趙鋒,段巍.基于葉素-動量理論及有限元方法的風力機葉片載荷分析和強度分析[J].機械設計及制造,2010(8):42-44.

[2]王學永.風力發電機葉片設計及三維建模[D].北京:華北電力大學,2008.

[3]王磊,杜靜.剛柔耦合技術在摩托車動強度分析中的應用[C]∥天津內燃機研究所.2008中小型內燃機專業技術研討會論文集.天津:2008:25-28.

[4]崔蔭.汽輪機旋轉葉片剛柔耦合系統的動力學問題研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[5]Asseff N S,Mahfuz H.Design and finite element analysis of an ocean current turbine blade[J].GlobalandLocalChallenges,2009,10.

[6]王應軍,裴鵬宇.風力發電機葉片固有振動特性的有限元分析[J].華中科技大學學報,2006,23(2):44-46.

[7]Mohammad AIHamaydeh,Saif Hussain.Optimized frequence-based foundation design for wind turbine towers utilizing soil-structure interaction[J].JournalofTheFranklinInstitute,2010,4.

[8]王朝勝.基于有限元法的風力發電機組塔架結構分析[D].長沙:長沙理工大學,2010.

[9]邵金華.風力發電機系統動力特性仿真研究[D].重慶:重慶大學,2007.

[10]Wang J H,Qin D T,Lim T C.Dynamic analysis of horizontal axis wind turbine by thin-walled beam theory[J].JournalofSoundandVibration,2010,329:3565-3586.[11]張鎖懷,張文禮,張青雷.基于Adams的MW級風力發電機組動力學建模[J].華北電力大學學報,2009,36(4):51-57.

TheKinematicandDynamicSimulationofKeyFunctionalComponentsof

WTGSZHANGGuang-hui

(ChinaNonferrousMetalsProcessingTechnologyCo.,Ltd.,Luoyang471039,China)

In the article,the blade element momentum theory was used for the calculation of aerodynamic load of blade under the different wind velocities.A 3D model of key functional components such as blade,tower,hub and nacelle were modeled in Solidworks,the MNF files of blade and tower were gained in finite element analysis software after flexible processing,and the rigid-flexible multi-body dynamic model of the wind turbine’s key components was created in ADAMS.Through the simulation of the model under constant rotate speed,kinematic and dynamic curves were obtained while the wind speed rose from 5 m/s to 25 m/s.This simulation imitates the vibration performance ideally,which provides a feasible method for the virtual prototype simulation of wind turbines.

wind turbine; blade element momentum theory; rigid-flexible coupling; kinematic and dynamic analysis; simulation

2014-05-10

張光輝(1984-),男,工程師,主要從事有色金屬壓力加工設備的設計工作.E-mail:guanghui0379@163.com

TM315

A