【正文】 機組葉片進行三維建模，并在此基礎上對其進行強度分析，從而為優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。為解決能源危機，從 20世紀 70年代開始，各國政府和國際組織為新能源、可再生能源的開發(fā)和研究投入大 量資金，目的在于尋求一條經濟有效、可持續(xù)的發(fā)展道路。 目前，全球風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展迅速，年平均增長率保持在 29%左右 。到 2020 年底，全球裝機容量已達到 億千瓦，平均增長 30%。由此可見，風力發(fā)電正在受到越來越多的重視，且以勢不可擋的發(fā)展態(tài)勢在經濟市場中占據(jù)著一定的地位。風電容量繼續(xù)每 3 年翻 1番， 至 2020 年底全球風力發(fā)電量達到 340TWh，相當于意大利全年總需電量或全球全年總用電量的 2%。中國在風力發(fā)電行業(yè)占據(jù)著重要位置，將繼續(xù)發(fā)揮火車頭的作用， 2020 年新增裝機容量 13800MW，連續(xù) 4 年翻番 2 倍以上，成為風力發(fā)電機的最大市場 。隨著巴西和墨西哥的發(fā)展，拉丁美洲風力發(fā)電 也出現(xiàn)令人鼓舞的增長 .根據(jù)主要風力發(fā)電國家的規(guī)劃，風電在未來仍有巨大的發(fā)展空間。風電發(fā)展較好大國中， 2020 年底德國風力發(fā)電量占總發(fā)電量的 %，西班牙為 %，屬于歐洲較高水平，而美國的風電覆蓋率僅有 %。根據(jù)丹麥 BTM 公司觀測，未來五年內風電機組裝機 容量仍呈現(xiàn)上漲趨勢。自 2020 年以來，我國風電產業(yè)開始駛入發(fā)展的快車道，到 2020 年，已建有 40 個風力發(fā)電站，發(fā)電量達到 萬千瓦，其中以新疆的達坂城發(fā)電站規(guī)模最大。 2020 年是 中國發(fā)電設備容量規(guī)模歷史性突破的一年，生產結構進一步優(yōu)化，除臺 共 37 頁 第 4 頁 灣省外新增風電機組 592 臺，累計風電機組 1864 臺，新增裝機容量 萬 kw，累計裝機容量 萬 kw。此外還將陸續(xù)出臺各項可再生能源管理和實施辦法，為風電等各種新能源提供良好的政策保障。 l)單機容量增大 :為提高風能利用率，降低使用成本， 5一 6MW 的海上風電機組已經推向市場，風力發(fā)電機組正趨向大型化。 3)風電機組發(fā)電機驅動方式多樣化，主要有雙饋式、直驅式和混合式。從國際趨勢來看，風電機組發(fā)電機驅動方式由直驅式和混合式取代 雙饋式己成為主流。 葉片技術現(xiàn)狀 風力發(fā)電機裝機容量不斷增長的大趨勢要求單機容量越來越大，隨著風電機組向大型化發(fā)展，葉片長度也不斷增加。 ReP0wer的 SMw渦輪機的轉子直徑為 126m，葉片長度為 。然而，這樣大的尺寸還不是極限。葉片作為接收風能的主要部件，在整個風電設備系統(tǒng)中的地位尤顯重要，要求其具有合理的翼型設計、優(yōu)質的材料和先進的工藝，其設計、制造和性能成為了重點研究和大力發(fā)展的目標。 l)翼型選擇 共 37 頁 第 5 頁 風力機葉片翼型的性能直接影響風能轉換的效率，傳統(tǒng)的風力機葉片翼型一般沿用航空低速葉片翼型，但是相較于風力發(fā)電機的特殊性以及粉塵污染、風蝕的工作環(huán)境，航空低速葉片不能滿足 風電需求。丹麥RISO 一 A 系列，能在接近失速時具有最大升阻比 。荷蘭 DU系列，具有限制的上表面厚度，低的粗糙度。據(jù)計算，葉片重量與風輪半徑 R 近 似成 3 次方關系。一般情況下， 22m 以下的葉片采用玻璃纖維，大于 42m的葉片采用碳纖維或碳玻混雜纖維，如 NEGMicon 長葉片， 長葉片都在高應力區(qū)使用了碳纖維。既要減輕葉片質量，又要滿足剛度與強度的要求，采用碳纖維增強材料是行之有效的途徑。美國 zoltek 公司生產的隊 NEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，使葉片質量減輕 40%，成本降低 14%，并使整個風力發(fā)電裝置成本降低 45%。 目前世界上最大的碳纖維與玻璃纖維混雜增強材料風機葉片是 Nodex 公司為海上風電 SMW機組研制的長度為 56m 的葉片，此外還開發(fā)了 43m()的碳纖維 /玻璃纖維風機計卜片，用于陸上 機組。 FRP 葉片的成型工藝大致有 :手糊工藝、真空輔助注射、樹脂傳遞模塑 (RTM)、 SCRIMp 浸漬工藝、纖維纏繞藝 (Fw)、纖維鋪放工藝 (FP)、木纖維環(huán)氧飽和工藝 (wEsT)、模壓工藝，這些方法各有側重。干法成型屬于新興技術，先將纖維制成浸料，現(xiàn)場鋪放，加溫 (或常溫 )加壓固化，其生產效率高，由丹麥的 Vestas 公司首創(chuàng)并大量應用。該法是目前世界上公認的低成本制造方法，發(fā)展迅速，應用廣泛，并衍生出多種方法，主要有生產大型葉片用的 VARTM 和 SCRIMP 法。應用真空，以高滲透率介質作引導將樹脂注入結構鋪層中，多用于形狀復雜的大型制品。上海玻璃鋼研究院在研制 IMW 風力機葉片時采用該工藝，通過多次試驗，摸索解決了布管方式、真空度控制、樹脂選擇、鋪層皺折等一系列技術問題，使葉片成型工藝技術水平得到大幅提高。其技術參數(shù)主要涉及纖維張力控制、纏繞速率和纏繞角的控制等。 綜上所述，葉片制造工藝正在向著多樣化、綜合化的方向發(fā)展，除以上介紹的工藝方法外，還有熱融性環(huán)氧預浸料、硬質泡沫發(fā)泡和多軸鋪層技術等。 葉片研究現(xiàn)狀 葉片設計是一個優(yōu)化設計的過程，它本身是一個氣動 與結構相互妥協(xié)的產物，設計優(yōu)化目標是從最開始的葉素功率輸出最大化到年輸出功率最大化再到現(xiàn)在的性價比最優(yōu)化。為有效提高比強度并降低成本，葉片的研究重點集中在葉片翼型設計上。 LM公司研發(fā)部經理 Frank V. Nielsen 認為未來葉片設計的關鍵已從效率最大化轉移到能量成本 (COE)最 優(yōu)化，葉片將會更加細長，這種設計技術將會降低葉片載荷，葉片質量分布更加優(yōu)化，材料成本將會降低，產品質量將更加得到保證 [7]。如根據(jù)遺傳、數(shù)值等迭代算法，利用已知條件，通過迭代過程逐漸接近設計目標。 共 37 頁 第 7 頁 國內有關葉片結構設計方法的研究主要是對己有葉片進行仿真與數(shù)值分析，基本沒有提出實用的系統(tǒng)設計和校核方法，未能說明葉片怎 么樣從無到有的設計過程，同時尚缺乏有針對性的設計依據(jù)和準則，對于與結構設計相關的載荷等問題也沒能給出明確且有意義的答案，其有限元數(shù)值分析方法也都是基于實際葉片測量數(shù)據(jù) [9]，基本沒有針對自主設計葉片的校核分析。葉片長度決定了風力機能從風中獲取多少能量，這是因為它影響著葉輪的掃掠面積。 本課題采用 NACA 系列翼型研究葉片建模方法和控制參數(shù)的改變對葉片形狀的影響，采用 ANSYS 建模研究方法，研究葉片在各種工況下的強度和剛度，進而優(yōu)化葉片參數(shù)達到優(yōu)化葉片模型的目的 [10]。四位數(shù)字的含義是：第一位數(shù)字 4表示翼型的最大相對彎度（拱度）為 4﹪；第二個數(shù)字 4 表示翼型最大厚度處離前緣的距離為弦長的 4/10，即 4/10l；后兩位數(shù)字表示最大相對厚度的百分數(shù)，即 6﹪～ 15﹪。 3）ВИГМ 翼型 這是前蘇聯(lián) 水力機械研究所專門為水力機械研究的翼型。通常情況下，有以下三種建模方法 [11]: :即采用三維 CAD 建模軟件創(chuàng)建模型，轉換格式后導入 ANSYS 軟件進行分析，其優(yōu)點是基于 CAD 軟件強大的建模功能使得建模簡便可行，尤其是對于外形結構復雜的分析對象，相比于在 ANSYS 中建模節(jié)省大量的時間 。并且?guī)缀谓Ｅc結構分析過程難以一次完成，使得分析模型精度降低。優(yōu)點只針對簡單零件而言，計算量小、對機器配置要求不高 。 :通過直接描述模型的幾何邊界、形狀和尺寸等特性來創(chuàng)建模型，在ANSYS 軟件中通過創(chuàng)建點、線、面、體的方式生成實體模型，可采用自底向上、自頂向下或二者混合的方式建模，并且可利用布爾運算、拖拉、旋轉、鏡像操作，大大減小工作量，提高效率。 根據(jù)自身的情況，考慮到葉片形狀特點：翼型是沿葉片伸 展方向上某一位面的輪廓線，且在連接處跟尾部都有過渡部分，本文采用 Pro/e 進行三維建模再導入到 ansys 中[12]。風力機葉展形狀、翼型形狀與風力發(fā)電機的空氣動力特性密切相關。葉片通常由翼型系列組成。在尖部采用薄翼型以滿足高升阻比 的要求；根部采用相同翼型或較大升力系數(shù)翼型的較厚形式，以滿足結構強度的需要。常用的翼型有 NACA44xx 系列、NACA644xx 系列和 NACA230xx 系列等航空翼型；專用翼型有美國的 SERI 翼型系列以及 NREL 翼型系列、丹麥的 RISφ — A 系列翼型和瑞典的 FFA— W 系列翼型族。翼型數(shù)據(jù)及其氣動性可參考 profili 軟件、中國氣動力研究與發(fā)展中心的文獻等。導出如圖所示 21 所示。翼型數(shù)據(jù)見表 21 共 37 頁 第 10 頁 圖 21 NACA4412 翼型數(shù)據(jù)的導出 表 21 NACA4412 翼型數(shù)據(jù) NACA 4412 共 37 頁 第 11 頁 基本原理 圖形變換的實質是對組成圖形的各頂點進行坐標變換 [15]。,39。 其中， T 是 4*4 的變換矩陣，即： T=????????????snmlrihgqfedpcba 其中，左上角子矩陣產生三維圖形的比例、對稱、錯切和轉換變換；左下角 子矩陣產生平移變換；右上角子矩陣產生透視變換；右下角子矩陣產生全比例變換。具體可按下述步驟來實現(xiàn) :首先獲得翼型剖面曲線坐標? ?00,yx ，再轉化為以氣動中心為坐標原點的平面坐標 ? ?11,yx ，最后經過平移、旋轉至相應的三維空間坐標 (x， y， z)。翼型輪廓離散點坐標為 (x， y， z)。 繪制各葉素輪廓線。第二步：把這三列數(shù)據(jù)復制到一個文本文件 txt 中，在文本文 件中也要排成 3 列，數(shù)據(jù)前寫入文字 open Arclength begin section!1 begin curve； 第三步：把文本文件后綴名改為 ibl 格式，然后保存； 第四步：在 pro/e 中建立葉素翼型的樣條曲線。如圖 22. 圖 22 葉素翼型曲線形成 重復上述過程，計算 18 個截面各點的空間坐標，導入 pro/e，畫出各截面的翼型曲線。葉根部分考慮了安裝和結構的過渡性 ,按結構要求繪制，本文用圓周型連接。 在 pro/e 中通過各個葉素的樣條曲線，創(chuàng)建整個葉片的自由扭曲的曲面形狀。 機翼的形狀如圖 31所示 圖中 l稱為翼弦長度， b稱為翼展， l /b 稱為展弦比。根據(jù)展弦比的不同，可把機翼分為兩種：一為有限展翼比機翼，或稱有限翼展機翼，如圖 31(a)所示；另一種為無限展弦比機翼，或稱無限翼展機翼，其翼展長度為無限大，如圖 31(b)所示。 圖 31 機翼 圖 32 翼型 垂直于翼展重心軸線的機翼剖面稱為翼型或翼型剖面。 1） 翼弦長度 連接翼型前、后緣點的直線長度稱為翼型長度。從前緣點至翼弦上相應于最大厚度 一點以 yx 表示，其相對值 yx /L稱為最大相對厚度。 4）翼型彎度 h 翼型骨線至翼弦的距離，稱為翼型彎度或翼型拱度。從前緣點至翼弦上最大彎度點的距離以 hx 表示，其相對值以 hx /L表示。本文所要研究的作用在風力機上的載荷主要包括：空氣動力載荷（升力和阻力）、重力載荷、慣性力載荷、葉片上的載荷 [16]。葉片上的氣動載 荷可以根據(jù)動量一葉素理論計算。具體計算公式如下 : 升力： AwCFLx 22?? ? （ 31） 阻力： AwCFDy 22?? ? （ 3