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風力發(fā)電機風輪葉片三維模型的構建
徐超 2023/3/26 14:29:01
（淮安生物工程高等職業(yè)學校 江蘇省淮安市 223200）
作者簡介：徐超（1978.11.25），男，江蘇淮安人，講師，研究方向：機械制造。
摘要：對于風力發(fā)電機組而言，最核心的部件是風輪葉片。它的作用是將大自然中的風能轉變?yōu)闄C械能，再完成機組從機械能到電能的轉換。由此可見，葉片是整個機組的能量轉換樞紐。因而在葉片設計完成后，其強度性能的好壞（包括材料性能、靜載荷強度分布、模態(tài)及固有頻率等），直接關系到機組的各項性能指標（如使用壽命、發(fā)電效率、運行穩(wěn)定性等）。而實際情況是，風輪葉片是直接暴露在自然環(huán)境下運行的，所以，受氣候條件的影響，尤其是極端氣候條件下，機組容易發(fā)生發(fā)電效率降低、零部件損壞等故障。例如，在經(jīng)歷一場級數(shù)較強的暴風襲擊后，葉片容易產(chǎn)生變形、斷裂等破壞，而由于其本身所承受的載荷種類繁多，直接從理論上精確描述是不可能的。因此，葉片在設計完成之后，翼型選擇是否合理、參數(shù)設計是否滿足要求，只能夠通過對葉片模型進行有限元分析來實現(xiàn)，，而要進行分析就需要先構建葉片三維模型。通過模擬分析，可以提前預判機組的力學性能，對進一步的優(yōu)化設計、機組的穩(wěn)定安全運行都具有重要的指導意義。
關鍵詞：風輪葉片 相似理論 三維模型構建
風力發(fā)電機風輪葉片三維模型的構建是以流體機械的相似定律為依據(jù)，來建立原型機和模型機之間的參數(shù)關系（如風輪直徑、葉尖速比、額定風速等），并確立模型的參數(shù)，我們選擇NACA63-430為模型翼型，根據(jù)翼型數(shù)據(jù)，在UG軟件中，建立風力機葉片三維實體模型。
一、風輪葉片三維模型構建流程
對風力發(fā)電機葉片進行有限元分析，決定計算結果精度的首要步驟，就是建立一個精確的三維模型。通常情況下，風力機的葉片是一個復雜的、無規(guī)則的光滑曲面結構體。該特征也對建模的過程造成了一定的困難。故一般情況下，將風力機葉片抽象成許多斷面（也稱翼型），再利用相鄰面之間的掃掠關系完成模型的構建。葉片建模的一般流程，如圖1所示。
圖1 葉片模型建立流程
二、風力機相似理論及模型概況
在風力發(fā)電機組葉片的模型構建中，首先需要利用幾何相似原理，按照一定的比例，將原型機縮小。這樣便簡化了模型建立的過程。然而，各工況下的模型參數(shù)，與相同工況下原型機的參數(shù)，是否還存在某種相似準則，是必須進行探討的。根據(jù)空氣動力學的相似性原則，假設流體的流動形式相同，則只要符合幾何相似和運動相似的準則，則二者必定滿足相似定律。對于風力發(fā)電機而言，通常以此來作為測試參數(shù)的依據(jù)。
根據(jù)上述相似理論，在模型建立過程中，按照模型機與原型機幾何尺寸1:4的比例，建立葉片模型。部分參數(shù)如表1所示。
表1 2.0MW水平軸模型機參數(shù)（部分）
風機類型 水平軸風力機
葉片數(shù) 3
風輪直徑 23 m
額定轉速 15.35r/min
切入風速 3 m/s
額定風速 10.8 m/s
切出風速 25 m/s
額定功率 2.0MW
葉片錐角 3.5°
葉片仰角 5°
轉軸傾角 0°
三、風力機葉片翼型的確定
翼型，是風力機葉片的橫截面形狀。通常情況下，翼型的確定是由空氣動力試驗來確定其形狀的弦長、中線、厚度等參數(shù)，如圖2所示。因此，對于風力機葉片的設計，可以從翼型的型譜里面選擇，然后通過翼型的組合形成葉片模型。
圖2 翼型示意圖
通常情況下，風力發(fā)電機的葉片形狀是尺寸不同的相同翼型，在空間當中按照一定規(guī)律進行排列而成的整體。即在風力機的葉片模型構建中，多個翼型斷面搭接形成了模型整體。而在葉片翼型的確定過程中，是以氣動性能最優(yōu)工況為基準來確定的。因此，翼型的選擇原則為：（1）在一定的攻角范圍內(nèi)，有足夠高的升力系數(shù) ，且阻力系數(shù) 較低；（2）機組在正常運行時，所有斷面上的雷諾數(shù) ，均需高于臨界值。綜上所述，翼型的確定環(huán)節(jié)，需選擇目前在氣動性能試驗中研究最為成熟的種類。根據(jù)2MW風力機的風輪直徑較大的特點，本文中葉片的翼型類型定義為NACA63-430。該翼型是目前風力機當中最為常用的翼型類型。其形狀特點為：截面的最厚處約在葉片弦長30%的地方，且離翼型前部的長度約為弦長的40%，輪廓形狀如圖3所示。
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