基于通用翼型的小型風力機葉片結構設計與性能分析

蘭 平，王旭東

(重慶工商大學制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，重慶 400067)

0 引 言

葉片是風力機的關鍵部件之一，是進行能量轉換的重要組成部分，其優越的氣動性能設計和合理的加工工藝制定是風力機可靠高效工作的關鍵。

小型風力機葉片的設計一般都是采用單一翼型，著重考慮其氣動性能，以最大風能利用率為目標采用傳統的風輪空氣動力學理論來完成其設計過程[1]。而小型風力機葉片制作方法現在主要都是基于纖維復合材料來完成，制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預浸料成型、擠壓成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑以及真空灌注成型等工藝[2]。筆者通過建立修正的風力機風輪空氣動力學模型，在完成葉片氣動外形設計的基礎之上，基于葉片的三維實體模型，對葉片進行了結構強度有限元分析，進而對葉片的制作工藝及加工組裝完成的風輪性能測試進行了研究分析，系統的提出了小型風力機葉片的設計制造及測試過程。

1 通用集成翼型的性能分析

風力機葉片形狀主要由翼型形狀、弦長、扭角以及翼型相對厚度分布來確定。風力機通用集成翼型的設計理論是從表征翼型型線本質特征的根本因素，即翼型的形函數出發，通過應用一種比較高效的形狀函數來表達的方法，來達到更精確的控制翼型的集成精度和葉片的形狀的目的。這樣不僅能夠讓設計出的風力機葉片具有很高的捕風效率，并且能夠在不同的環境下也能保持相應的高效率和綜合應用各個學科領域優勢等一系列的高性能，同時能夠保證葉片表面形狀的光滑性以及葉片形狀的最大程度最優解。文中在進行葉片氣動外形設計時，葉片翼型采用自主設計性能優越的最大相對厚度為18%的風力機通用集成翼型[3]，其形狀如圖1所示，翼型的相對厚度沿展向不變。在雷諾數Re=1.6×106時，為了盡快分析所設計的葉片的氣動性能進行分析，這里使用Xfoil程序，圖2表達的是當翼型的攻角在逐漸增大過程中升力系數的變化情況，從圖中看出升力系數增大到1.87后就不再增大，對應的攻角數值為19°，表明設計結果失速比較遲緩。根據圖3中展示的同一工況下攻角對升阻比變化情況的影響可以看出在攻角取值5°時，升阻比達到了同等條件下的最優值：150.09。

圖1 葉片翼型的形狀 圖2 設計翼型的升力系數 隨攻角變化圖

圖3 設計翼型在主要工作攻角區域的升阻比

2 葉片的氣動外形設計

風力機葉片在進行形狀設計時，首先確定風輪的基本參數。一般來說，小型風力發電機在設計風速8～10 m/s下，具有最大風能利用系數。選取風輪的額定風速為9 m/s，葉尖速比為7，額定功率為2 kW。

應用一維動量理論建立風力機風輪空氣動力學模型時，可以把風輪視作有無數的葉片拼成的一個大圓盤，因此，在進行風輪氣動特性計算時，Prandtl提出了葉尖損失修正因子：

(1)

式中：F為普朗特葉尖損失修正因子；B為葉片個數；R為風輪半徑；r為葉片徑向位置；φ為入流角。

以動量-葉素理論為基礎，對風輪葉素理論中翼型的法向力和切向力系數(Cn,Ct)做了進一步的修正[4]：

(2)

g=exp[-0.125(Bλ-21)]+0.1；

得到了風輪的軸向和周向誘導修正因子分別為：

(3)

(4)

其中：Y1=4Fsin2φ/(σCnF1)

Y2=4Fsinφcosφ/(σCtF1)

通過迭代求解，可以計算在不同風速和轉速下風輪承受的載荷及其輸出功率等特性，進而完成葉片各個截面的形狀參數確定。在迭代過程中，以0作為軸向誘導因子a和周向誘導因子b的初值，根據此初值，逐步計算入流角、攻角、翼型的法向力和切向力系數，最后再得到新的軸向誘導因子a和周向誘導因子b的計算值。比較最新計算的a和b值與上一次的a和b，如果兩者的誤差小于我們設定的誤差值，則認為迭代求解過程完成，否則繼續迭代。為了保證計算精度，根據相關文獻，文中的迭代誤差初值選取為0.001。

設計完成的風輪在額定風速9 m/s時，額定輸出功率為2 kW，葉片的長度為1.8 m。圖4為設計葉片的弦長分布，最大弦長為0.23 m，在葉片展向距根部0.29 m處。圖5為設計葉片的扭角分布，最大扭角為12.4度，整個扭角變化沿葉片展向較為平緩。

圖4 葉片的弦長分布 圖5 葉片的扭角分布

3 設計葉片的結構強度分析

葉片是整個風力發電機最為重要的部件，它將在空氣的推動力下做旋轉運動，進而實現風能與機械能之間轉化。葉片所受的力主要來至于與之接觸的空氣，而空氣屬于流體，這就致使葉片的受力情況比較復雜。整個風力機機組的工作年限很大程度上是與其葉片的極限工作時間有關，因而，所設計的葉片需要滿足在運行環境下的所需要的結構條件。基于上節得到的葉片設計參數，在SolidWorks軟件中建立葉片的三維模型如圖6所示。

將在SolidWorks里建立的生成的葉片的三維模型圖輸出為x_t格式，把保存下的模型圖導入到ANSYSWorkbench中進行有限元分析。葉片的材料選用玻璃鋼，單元類型選擇為殼單元，完成葉片的有限元網格劃分。劃分好網格后，確定其邊界約束條件，葉片的實際工作情況是所有的葉片都是是用螺釘與法蘭盤在根部進行連接在一起的，因而在對葉片的結構進行分析時吧葉片的連接部分作固定端處理就行。葉片的有限元網格如圖7所示。

圖6 葉片的三維實體模型 圖7 葉片的有限元網格模型

選取極端風速為20 m/s，考慮該極端風況下的受力情況，縫隙葉片所能承受的極限應力(重力、離心力、軸向推力等產生的拉壓應力以及扭矩產生的切應力)。將葉片在風速20 m/s下受到的極端載荷以面里的方式施加在葉片的迎風面上，在ANSYSWorkbench中可以通過施加壓力Pressure的方式進行施加，求解可以得到葉片的應力應變分布。圖8為葉片的應力分布云圖，根據應力的變化情況可以得出來相對于葉片材料的極限應力來說葉片的整體受到的力十分微小，最大的應力值在15.051 MPa，發生在葉片根部與輪轂連接處，最大應力遠小于葉片材料玻璃鋼的屈服強度。

4 風輪輸出功率的測試分析

葉片作為風力機風輪的主要構成部分，工作時要不僅要受強烈陽光的爆曬、大雨的腐蝕等極端天氣的環境的破壞，同時要承受風輪旋轉引起的氣彈結構載荷。因此，葉片材料一般選用纖維增強復合材料，此類葉片在強度及其密度方面占據很大的優勢，且具有較好的抗疲勞、抗沖擊、抗蠕變特性[6]。文中葉片模型的材料選用玻璃纖維復合材料。加工相同的3個葉片，進行組裝成風力機風輪，如圖9所示，3個葉片應對稱分布，互相間隔120°角。搭建風力機輸出功率的測試實驗平臺，其原理為首先通過風速測試儀測試和控制自然風來流的風速，保證具有穩定的輸入風速。其次，將風輪產生的電能通過與三相整流橋連接，穩定其輸出電壓和電流，并采用相應的電壓表和電流表進行數據的讀取。測試所得的不同風速下電流乘以電壓就是風輪的輸出功率，風輪輸出功率測試原理如圖10所示[7-8]。

圖8 葉片的應力分布云圖 圖9 組裝的風力機風輪

圖10 風力機輸出功率測試原理

圖11～14分別為在平均風速7 m/s，8 m/s，9 m/s和10 m/s下所測得的設計風輪輸出功率隨時間的變化圖。可以看出，功率隨時間變化波動相對較大，這主要是由于風速的不穩定引起的。因此，為了確保測試數據盡可能的準確，在研究設計風輪不同風速下的輸出功率特性時，在每個風速下，都進行了多個時間段的數據采集，取其多個測點的平均值。其中在額定風速9 m/s下，測得的風輪平均輸出功率為1.87 kW，略低于其額定輸出功率，這主要是由加工精度以及測試過程中的誤差引起的。

圖11 風速7 m/s下風輪的輸出功率 圖12 風速8 m/s下風輪的輸出功率

圖13 風速9 m/s下風輪的輸出功率 圖14 風速10 m/s下風輪的輸出功率

5 結 論

(1) 選擇相對厚度為18%的風力機通用翼型，基于該翼型完成設計了功率為2 kW小型風力機葉片，應用SolidWorks軟件建立了葉片的三維CAD實體模型。在ANSYS Workbench軟件中建立了葉片的有限元模型，分析其極端工況下的結構強度。

(2) 采用玻璃纖維材料，完成了葉片的加工制作并進行了風力機風輪的組裝，給出了風輪輸出功率的測試原理，在搭建測試平臺上測試了不同風速下風輪的輸出功率情況。對比發現，測得的額定風速下的輸出功率值略低于理論值。文中葉片的靜力結構分析以及不同風速下風輪的輸出功的測試結果，給風力機葉片的設計制造提供一定的理論基礎。