風(fēng)電機(jī)組葉片疲勞加載試驗(yàn)減阻尼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 | 樂韻斐，駱永云，劉宇

技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組葉片疲勞加載試驗(yàn)減阻尼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 | 樂韻斐，駱永云，劉宇

風(fēng)電機(jī)組葉片在非定常載荷作用下的運(yùn)行特性使其易發(fā)生疲勞損壞，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性及使用壽命。因此需要對新設(shè)計(jì)或改變的葉片進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)來考驗(yàn)葉片強(qiáng)度，確保其使用壽命。風(fēng)電機(jī)組葉片在疲勞加載試驗(yàn)過程中受到的阻尼現(xiàn)象主要為氣動阻力、空氣慣性和粘彈性材料阻尼。風(fēng)電機(jī)組葉片在振動時由于變形引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的摩擦產(chǎn)生的阻力即結(jié)構(gòu)阻尼較小，由葉片在空氣中運(yùn)動所受到的阻力即氣動阻尼對葉片振動能耗有較大影響。所以有效降低風(fēng)電機(jī)組葉片氣動阻尼，對于減少試驗(yàn)?zāi)芎模娱L設(shè)備壽命具有重要意義。目前國內(nèi)外對于該方面研究較少，大多數(shù)葉片疲勞試驗(yàn)并沒有使用減阻尼器。本文建立多種結(jié)構(gòu)形狀的減阻尼器模型，模擬在相同風(fēng)電場作用下，以期得到阻力最小和能耗最少的減阻尼器結(jié)構(gòu)形狀。

減阻尼器工作原理及建模仿真

通過改變減阻尼器表面形狀，改善與空氣相對運(yùn)動狀況，減小試驗(yàn)時空氣阻力的作用，減小葉片試驗(yàn)?zāi)芎摹Ｔ谡駝訒r，葉片尖部相對其他位置振幅和振動速度最大，受到空氣阻力較大。在葉片尖部安裝一定長度的減阻尼器能有效降低空氣動力載荷作用。帶減阻尼器葉片疲勞加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

在相同的外流場情況下不同形狀的減阻尼器受到的風(fēng)阻大小不同，氣動阻尼不同，從而影響風(fēng)電機(jī)組葉片疲勞加載試驗(yàn)時的能耗。采用流場仿真的方法，對減阻尼器的外形進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是很有必要的。

一、FLUENT流場仿真

FLUENT 是一個用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件，它提供了靈活的網(wǎng)格特性，可以支持多種網(wǎng)格。振動力學(xué)是低速空氣動力學(xué)，空氣密度變化小，可以忽略空氣壓縮的影響。因此把試驗(yàn)葉片周圍流場看作是不可壓縮的。空氣相對葉片作低速流動，空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，葉片對周圍流場的熱影響可忽略，因此，葉片周圍流場可視為恒溫場。空氣的密度很小，在模擬葉片周圍流場時，流場中空氣的單位質(zhì)量力可忽略。

為使仿真結(jié)果具有可比性，需保證減阻尼器迎風(fēng)面積相同。外流場的體積至少保證是減阻尼器體積的5倍，因此設(shè)計(jì)長50000mm，寬20000mm，高20000mm的外流場，體積2×1013mm3。外壁設(shè)置為無窮遠(yuǎn)壓力邊界，主要是讓空氣從遠(yuǎn)處流過來，避免局部受力不均的影響。根據(jù)葉片振動葉尖部位振動平均速度，設(shè)置空氣流速17m/s，空氣一般湍流粘度比即湍流粘性比設(shè)置為10，溫度設(shè)置常溫，為300k。

圖1 疲勞試驗(yàn)減阻尼器外形

表1 減阻尼器建模

設(shè)計(jì)相同迎風(fēng)面積5×106mm2，投影面為1000mm×5000mm的長方形。

外流場計(jì)算精度要求不高，因此網(wǎng)格稀疏，單元網(wǎng)格尺寸為100mm左右。由于減阻尼器附近的氣流流動劇烈，與減阻尼器所受風(fēng)阻密切相關(guān)，因此在減阻尼器周圍加密網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為20mm左右。

二、減阻尼器設(shè)計(jì)

減阻尼器尺寸信息及外形如表1。箭頭表示風(fēng)向，減阻尼器外形氣流向兩邊分散。

三、各形狀減阻尼器所受風(fēng)阻對比

減阻尼比受力結(jié)果見表2。在四類減阻尼器中，直角面減阻尼器受到的阻力最大，橢圓柱面減阻尼器受到的阻力最小。空氣阻尼的大小關(guān)系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。由此可見在相同迎風(fēng)面下的橢圓柱面受到空氣阻力最小，受到的空氣阻尼最小。但三棱柱面與橢圓柱面阻尼接近，有待進(jìn)一步探討。

葉片振動減阻尼器模型能耗對比

一、動網(wǎng)格劃分

帶減阻尼器葉片模型的振動仿真需要使用FLUENT動網(wǎng)格模擬葉片做正弦運(yùn)動，葉片的振動頻率、葉片的振幅通過實(shí)驗(yàn)得到。使用FLUENT的UDF模擬葉片每點(diǎn)振動狀態(tài)，使其做以固有頻率振動的正弦運(yùn)動。葉根固定，模擬懸臂梁振動，引起體網(wǎng)格的移動與變形，F(xiàn)LUENT通過體網(wǎng)格來計(jì)算空氣流體的流動狀態(tài)，從而計(jì)算出空氣對振動狀態(tài)的葉片起到的阻力作用。與此同時，對懸臂梁表面每點(diǎn)受力和其位移的積在一個周期內(nèi)進(jìn)行積分，從而獲得周期能耗。

動網(wǎng)格模型可用來模擬由于流體域邊界剛性運(yùn)動或邊界變形引起的流體域形狀隨時間變化的流動問題。仿真模擬減阻尼器所受風(fēng)阻影響時，需要有效地控制網(wǎng)格生成質(zhì)量的同時保證邊界層收斂，因此使用block劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。因?yàn)槿~片振動仿真需要局部重構(gòu)和彈性光順法聯(lián)合使用，而局部重構(gòu)只適用于三角形和四面體網(wǎng)格，葉片振動仿真只能劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

將建立的模型導(dǎo)入ICEMCFD劃分網(wǎng)格，外流場要求精度不高，葉片周圍流場計(jì)算精度要求較高。因此，為了提高計(jì)算效率，外流場網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)可以劃分盡量少；為了提高計(jì)算精度，減小計(jì)算誤差，在葉片及減阻尼器附近加密網(wǎng)格。

二、仿真結(jié)果

裝載減阻尼器的葉片能耗見表3。

未考慮葉片振動時，空氣阻尼的大小關(guān)系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。把減阻尼器裝上葉片后，在相同情況下，一個周期內(nèi)能耗比較關(guān)系為：直角面＞圓柱面＞三棱柱面＞橢圓柱面。裝載減阻尼器的葉片能耗與單獨(dú)減阻尼器風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果基本一致。由于葉片上裝載的減阻尼器與葉片在振動時周圍的氣流會相互影響，且各減阻尼器的形狀差別不大，因此和未考慮葉片振動時的空氣阻尼不盡一致。但較為明顯的是，無論是考慮葉片共振的情況還是未考慮葉片共振的情況下，橢圓柱面減阻尼器都很好地起到減阻的作用，大大降低了能耗。

表2 減阻尼比受力結(jié)果對比

表3 裝載減阻尼器的葉片能耗

表4 三棱柱形減阻尼器受力及能耗對比

表5 橢圓柱形減阻尼器受力及能耗對比

三、三棱柱減阻尼器

綜合上面結(jié)果，單獨(dú)設(shè)計(jì)4種三棱柱型減阻尼器模型，其受力及能耗結(jié)果見表4。

由仿真結(jié)果可知，第4種減阻尼器減阻節(jié)能效果最好，即當(dāng)減阻尼器截面形狀為三角形時，頂角越小，即高與底邊比值越大，減阻節(jié)能效果越好。

四、橢圓柱面減阻尼器

綜合上面結(jié)果，單獨(dú)設(shè)計(jì)幾種橢圓柱面減阻器模型，其受力及能耗結(jié)果見表5。

由仿真結(jié)果可知道第5種橢圓柱面減阻尼器節(jié)能效果最好。當(dāng)減阻尼器的截面尺寸在a＝500mm、b＝1000m的橢圓面比較節(jié)能。

結(jié)論

通過仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1.通過對不同形狀減阻尼器的阻力分析，得到橢圓柱面減阻尼器所受阻力最小。

2.通過對加載減阻尼器的葉片在振動狀態(tài)的阻力分析，并計(jì)算其能耗，得出能耗最低形狀為橢圓柱面減阻尼器。綜上，優(yōu)化最優(yōu)形狀為橢圓柱面減阻尼器。

3.由于不同尺寸葉片外形差異較大，葉片葉尖振動速度也不盡相同，相應(yīng)模擬風(fēng)電場流速也不一樣，因此減阻尼器設(shè)計(jì)還要結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)。

（作者單位：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院）

攝影：吳振華