風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模態(tài)分析

蘆麗麗 祁文軍 陳海霞

摘要：弦長和安裝角對風(fēng)能利用率有很大的影響。以Wilson理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用MTALAB 優(yōu)化工具箱的Fmincon函數(shù)，計(jì)算出葉片的弦長和安裝角，并利用曲線擬合工具箱進(jìn)行曲線擬合，運(yùn)用UG建模，之后通過ACP對葉片進(jìn)行復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)以及模態(tài)分析。分析表明：葉片內(nèi)腔中加入PVC硬質(zhì)塑料后，使葉片的固有頻率能達(dá)到基本要求，從而為改善葉片的綜合性能提供參考。

關(guān)鍵詞：

葉片；優(yōu)化；復(fù)合材料；ACP

DOI：1015938/jjhust201705002

中圖分類號： TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0007-06

Structural Optimization and Modal Analysis of Wind Turbine Blades

LU Lili1，2，QI Wenjun1，2，CHEN Haixia1，2，WANG Liangying1，2

（1.School of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumchi 830008， China；

2.State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering， Xi'an 710049， China）

Abstract：In this paper， based on the theory of Wilson， using function and MTALAB software optimization toolbox， the chord length and twist angle of the blade are calculated， and curve fitting using toolbox， setting model using UG After that， using ACP to complete composite layer design on blade and nature modal Analysis shows that after joining the PVC hard plastic blade in the inner chamber， the natural frequencies of the blade can meet the basic requirements， provide example for improving the comprehensive performance of blade

Keywords：blade； optimizing ；composite material； ACP

收稿日期： 2016-03-02

基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題研究基金（sklms2014006）

作者簡介：

蘆麗麗（1993—），女，碩士研究生；

祁文軍（1968—），女，教授；

陳海霞（1988—），男，碩士

0前言

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為復(fù)雜和關(guān)鍵的零部件，葉片性能的好壞將會直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和使用壽命。目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本上由各種復(fù)合材料制成，因此葉片與復(fù)合材料技術(shù)有著密切的聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)葉片經(jīng)濟(jì)效益的最大化，在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，葉片的模型設(shè)計(jì)和鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。目前大多研究主要集中在葉片的氣動性能分析，以及葉片所使用的復(fù)合材料的性能問題。國內(nèi)有很多學(xué)者對此均進(jìn)行了深入研究：汕頭大學(xué)的李德源與葉枝全研究了風(fēng)機(jī)模態(tài)分析的方法和影響因素，運(yùn)用ANSYS對600kW的葉片進(jìn)行模態(tài)分析，定量地分析了固有頻率對復(fù)合材料葉片的影響[1]；王博與祁文軍利用ANSYS對20kW風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片有預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的振動模態(tài)分析，得到了其前十階振動頻率和振型，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值誤差很小，只有-35%，并對其運(yùn)行時的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證[2]；中國水利電力物資有限公司的蔣維利用建成的大型風(fēng)力機(jī)葉片的振動特性分析裝置，用測力法和不測力法對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)及分析，測試了風(fēng)力機(jī)葉片的模態(tài)參數(shù)，得到了葉片的振動特性[3]；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的鄧海龍與孫鵬文從工程實(shí)際出發(fā)，以某15MW風(fēng)機(jī)葉片為例，研究鋪層參數(shù)對復(fù)合纖維風(fēng)機(jī)葉片性能的影響，在此基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度校核[4]。然而很少有人從葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面對葉片的氣動性能進(jìn)行研究。

本文針對西北地區(qū)的常用葉片，利用Wilson設(shè)計(jì)理論為依據(jù)進(jìn)行建模，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性優(yōu)化，Wilson 法是在 Glauert 法基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，研究葉尖損失和升阻比對葉片最佳性能的影響[5，6]，目前，氣動外形設(shè)計(jì)與分析仍基于 Wilson理論[7]。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G，完成了葉片和內(nèi)部硬質(zhì)塑料的三維模型創(chuàng)建。之后運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS中的 ACP（ANSYS Composite PrepPost）對葉片進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，并對葉片進(jìn)行模態(tài)分析，分析表明葉片具有良好的結(jié)構(gòu)性能，從而為葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究提供借鑒。

1葉片模型設(shè)計(jì)

11葉片參數(shù)設(shè)計(jì)

參照國內(nèi)2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片運(yùn)行參數(shù)， 本文的葉片參數(shù)如表1所示。

12葉片翼型的選取及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

葉片設(shè)計(jì)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的核心和重點(diǎn)，采用Wilson法對葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)其葉素的設(shè)計(jì)公式如下：

風(fēng)能利用系數(shù)：

Cp=8λ20∫λ00b1-aFλ3dλ=8λ0·b1-aFλ4|λ00（1）endprint