基于CFX的小型風力機葉根應力分析

杜鵬程

(內蒙古工業大學 能源與動力工程學院 內蒙古呼和浩特 010051)

基于CFX的小型風力機葉根應力分析

杜鵬程

(內蒙古工業大學 能源與動力工程學院 內蒙古呼和浩特 010051)

風力機長期運行于隨機波動較大的自然環境中，受力情況非常復雜，葉片作為風力機上最容易破壞的部件，斷裂現象頻現。本文基于ANSYS數值模擬分析軟件中的CFX模塊，對小型風力機的葉根部位的應力集中區域進行數值模擬分析，發現沿著弦線方向葉根部位等效應力狀態呈現先增大后減小的趨勢，最大等效應力值出現在約為弦線中間部位，前緣和后緣的等效應力值較小。為分析和判斷葉片裂紋、預測損壞部位提供理論依據。

數值模擬 葉根應力集中區 應力狀態分析

引言

風力發電機是通過風輪葉片攝取風能，進而將機械能轉化為電能的設備，風力機長期運行于隨機變動較大的環境中，受力情況非常復雜。葉片作為風力機的主要承載部件，幾乎所有力都要通過葉片傳遞出去，使葉片成為風力機上最易被破壞的部件，葉片斷裂現象頻現。因此，研究風力機葉片在承受交變動應力作用下的應變分布規律，保證風力機長期安全、穩定的運行具有重要的意義。

風力機葉片載荷及應力分布的研究大多采用有限元分析或仿真的方法。A.Gangele等人對不同幾何尺寸及材料的S809翼型的風力機葉片進行了模態分析，通過計算得到了葉片的振動頻率及振型[1]。Kucuk， Mumin等[2]利用ANSYS軟件分析了某款400W風力機合金材料連接的葉片根部應力特性。國防科技大學周鵬展等[3]基于ANSYS軟件對某款1500KW大型水平軸風力機葉片的應力特征進行了分析；

本文利用ANSYS數值模擬軟件，對風力機葉片進行有限元分析，通過施加氣動力，離心力載荷以及重力載荷的作用下，對等效應力集中區域進行數值模擬分析。為風力機葉片的優化設計研究提供參考。

一、數值模擬結果分析

1.葉片載荷理論

葉片上的載荷主要有空氣動力載荷、重力載荷、慣性力載荷等，使葉片成為風力機上最易被破壞的部件。

空力動力載荷

空氣動力載荷是空氣流經葉片產生的，假設葉片處于穩定的流場中，忽略葉片的錐角、俯仰角和偏航角等的影響，葉片上每個單位長度的輪廓斷面的空氣動力為分解為法向力Fn和切向力FL，然后對半徑積分可得出：

其中：Fn—法向力 N；FL—切向力 N；

V0—合成速度 m/s；ρ—空氣密度 Kg/m3；C—葉片弦長 m；CL—升力系數；Cd—阻力系數；φ—來流角。

重力載荷

葉片自重產生葉片的重力載荷，葉片旋轉在過程中，重力給葉片帶來一個正弦規律變化的載荷，其頻率對應于風輪的轉速。

離心力載荷

風輪旋轉產生離心力，方向沿著葉片向外，隨轉速的增加而增大，使葉片承受拉力。

本文的研究對象為課題組自行設計的加厚翼型，風輪直徑為1.4m，額定輸出功率300W，額定來流風速 8m/s，額定尖速比λ=5。該翼型最大弦長位于沿葉片展向0.2R處為19 3.2mm，最大扭角為28.95°。采用Soildworks建模軟件進行1：1建模，然后導入ANSYS Workbench中，為了更好地接近實際情況，對模型進行邊界條件以及載荷的施加，對模型進行網格劃分，采用四面體網格劃分方法，氣動載荷通過CFX模塊進行施加，離心力載荷用過改變風輪轉速的方式施加，重力載荷則通過實際重力方向施加。

2.結果分析

選取額定風速8m/s，額定尖速比λ=5的工況下進行數值模擬分析，結果如圖1所示：

圖1 等效應力云圖

通過等效應力云圖的結果可以看出等效應力集中的區域出現在葉根部位，從云圖中可以看出，沿著葉片弦線方向等效應力呈現先增大后減小的趨勢，前緣和后緣點的位置等效應力值最小，最大等效應力只出現在最大弦長的0.4-0.5C的位置。

接下來對葉根應力集中位置進行單獨分析，結果如圖2所示：

圖2 葉根等效應力規律

通過對額定風速下，尖速比從λ=4-6.5，進行分析。選取4的測點的等效應力值進行分析，由圖表可以看出與云圖結果基本一致。

結語

隨著尖速比的增加，等效應力值逐漸增大，總體趨勢呈現從前緣到后緣先增大后減小的規律，最大等效應力出現在0.4-0.5C的位置處。

[1]A.Gangele, S.Ahmed.Modal Analysis of S809 Wind Trubine Blade Considering Different Geometrical and Material Parameters[J].Journal of the Institution of Engineers.2013,94(3)：225-228.

[2]Kucuk Mumin，Cetin Numan S，Emeksiz Cem.et al.Stress Analysis of Shape Memory Alloys Used in Wind Turbine Blade Root Connection[J].Energy Education Science and Technology Part A： Energy Science and Research.2012, SPEC.ISS.1(30)：667-676

[3]周鵬展，曾竟成，肖加余等.大型水平軸風力機葉片應力特征分析[J].可再生能源,2009(5)：6-9