基于氣動彈性的風力機葉片氣動與結構性能研究★

朱 杰

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

傳統方法在設計葉片時將其視作剛性，不考慮彈性變形對載荷及其性能的耦合影響[1]。隨著風力機向大型化、輕量化發展，葉片柔性不斷增大，忽略氣動彈性效應將使其性能偏離原設計值，甚至產生破壞[2]。因此，研究氣動彈性問題對大型葉片的設計具有重要意義。

許多學者已展開了相關研究工作[1-6]，但側重點大多偏向于氣動性能分析，鮮有同時對結構性能進行研究的報道。本文提出一種基于動量葉素理論與有限元法相結合的方法，對某1.5 MW葉片進行考慮氣動彈性效應的氣動與結構性能研究。

1 葉片氣動與結構性能計算模型

1.1 葉片氣動性能計算模型

采用動量葉素理論計算載荷與葉片氣動性能。作用在長度為dr的葉素上的氣動力如圖1所示。各氣動力表達式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：dL——升力；

dD——阻力；

dpN——推力；

dpT——切向力；

ρ——空氣密度；

W——入流相對速度；

c——弦長；

Cl——升力系數；

Cd——阻力系數；

φ——入流角，由槳距角θ、攻角α和變形扭角φ三部分組成。

風能利用系數CP和年發電量AEP計算公式為：

(5)

(6)

式中：P——輸出功率；

v——來流風速；

A——風輪掃風面積；

f(vi

1.2 葉片結構性能計算模型

圖2為葉片典型剖面結構形式，可分為主梁、腹板、前緣與后緣四部分。主梁主要由單向玻璃纖維層合板組成，腹板、前緣和后緣由玻璃纖維織物與夾芯材料構成。

采用有限元法在ANSYS中建立葉片結構性能計算模型，分別利用Shell99和Shell91殼體單元對主梁鋪層和其他部分夾層結構進行模擬，有限元模型如圖3所示。

2 計算結果及分析

本文所研究的1.5 MW葉片長37 m，切入風速為4 m/s，切出風速為25 m/s，額定風速為14 m/s，額定轉速為16 rpm，風速分布模型采用平均風速為6 m/s的Weibull概率分布。

氣動彈性耦合計算過程如下：首先采用動量葉素理論求得葉片在運行工況內各風速下的初始氣動載荷，將其施加于有限元模型上進行葉片變形計算以獲得變形扭角；然后根據變形扭角更新入流角，重新計算氣動載荷進行新一輪迭代；如此循環直到葉尖變形滿足收斂條件停止計算。

圖4與圖5分別為考慮氣動彈性前后不同風速下的功率和風能利用系數對比圖。可以看到，在運行工況內，氣動彈性對兩者都存在一定的負面影響，即會降低功率和風能利用系數。隨著風速的增大，該負面影響呈現出先增大、后減小、再增大的趨勢。其中，在4 m/s～10 m/s較低風速范圍內，氣動彈性對功率和風能利用系數的影響較小，可不予考慮；當風速大于10 m/s后，由于葉片變形的增大導致氣動彈性對功率和風能利用系數產生顯著影響，甚至無法使功率達到額定值。

考慮氣動彈性前后的年發電量分別為3.439 Gwh/yr和3.377 Gwh/yr，兩者差別不大。這是因為本文所研究的葉片在較低風速區域有較好的氣動性能，尤其在6 m/s～9 m/s風速范圍內的風能利用系數均超過0.4。盡管氣動彈性對高風速下的氣動性能影響顯著，但對于全年平均風速為6 m/s的風場而言，高風速下的概率密度很小，故而其對年發電量的影響也較小。

圖6與圖7分別為考慮氣動彈性前后不同風速下的最大葉尖位移與葉片最大等效應變對比圖。由圖6可見，考慮氣動彈性可減小最大葉尖位移，且隨著風速的增大，減小量逐漸增大。由圖7可知，考慮氣動彈性時，在4 m/s～7 m/s風速范圍內，葉片最大等效應變有所減??；當風速超過7 m/s后，葉片最大等效應變有所增加，且隨著風速的增大，增量逐漸變大。產生上述現象的原因在于考慮氣動彈性時，作用在葉片上的推力逐漸減小，而切向力則是在4 m/s～7 m/s風速范圍內有所減小，隨后逐漸增大。通過對比可以發現，葉尖最大位移主要取決于推力，最大減小量為50 mm，僅為對應最大葉尖位移值的1.76%，表明氣動彈性對葉尖位移影響較??；葉片最大等效應變則更多取決于切向力，最大增量為150.4，是對應最大等效應變值的5.44%，表明氣動彈性對等效應變影響相對較大。

3 結語

通過對某1.5 MW風力機葉片進行基于氣動彈性的氣動與結構性能研究，可得如下結論：氣動彈性對葉片氣動性能有負面影響，隨著風速的增大，該負面影響先增大、后減小、再增大；氣動彈性對最大葉尖位移有較小的正面影響，對葉片最大等效應變則更多地存在相對較大的負面影響；本文提出的方法可較為準確的分析氣動彈性對葉片氣動與結構性能的影響，應用該方法能對葉片設計進行有效修正，并可為后續基于氣動彈性的葉片優化設計奠定基礎。