基于CFX的小型风力机叶根应力分析

杜鹏程

(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院 内蒙古呼和浩特 010051)

基于CFX的小型风力机叶根应力分析

杜鹏程

(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院 内蒙古呼和浩特 010051)

风力机长期运行于随机波动较大的自然环境中，受力情况非常复杂，叶片作为风力机上最容易破坏的部件，断裂现象频现。本文基于ANSYS数值模拟分析软件中的CFX模块，对小型风力机的叶根部位的应力集中区域进行数值模拟分析，发现沿着弦线方向叶根部位等效应力状态呈现先增大后减小的趋势，最大等效应力值出现在约为弦线中间部位，前缘和后缘的等效应力值较小。为分析和判断叶片裂纹、预测损坏部位提供理论依据。

数值模拟 叶根应力集中区 应力状态分析

引言

风力发电机是通过风轮叶片摄取风能，进而将机械能转化为电能的设备，风力机长期运行于随机变动较大的环境中，受力情况非常复杂。叶片作为风力机的主要承载部件，几乎所有力都要通过叶片传递出去，使叶片成为风力机上最易被破坏的部件，叶片断裂现象频现。因此，研究风力机叶片在承受交变动应力作用下的应变分布规律，保证风力机长期安全、稳定的运行具有重要的意义。

风力机叶片载荷及应力分布的研究大多采用有限元分析或仿真的方法。A.Gangele等人对不同几何尺寸及材料的S809翼型的风力机叶片进行了模态分析，通过计算得到了叶片的振动频率及振型[1]。Kucuk， Mumin等[2]利用ANSYS软件分析了某款400W风力机合金材料连接的叶片根部应力特性。国防科技大学周鹏展等[3]基于ANSYS软件对某款1500KW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析；

本文利用ANSYS数值模拟软件，对风力机叶片进行有限元分析，通过施加气动力，离心力载荷以及重力载荷的作用下，对等效应力集中区域进行数值模拟分析。为风力机叶片的优化设计研究提供参考。

一、数值模拟结果分析

1.叶片载荷理论

叶片上的载荷主要有空气动力载荷、重力载荷、惯性力载荷等，使叶片成为风力机上最易被破坏的部件。

空力动力载荷

空气动力载荷是空气流经叶片产生的，假设叶片处于稳定的流场中，忽略叶片的锥角、俯仰角和偏航角等的影响，叶片上每个单位长度的轮廓断面的空气动力为分解为法向力Fn和切向力FL，然后对半径积分可得出：

其中：Fn—法向力 N；FL—切向力 N；

V0—合成速度 m/s；ρ—空气密度 Kg/m³；C—叶片弦长 m；CL—升力系数；Cd—阻力系数；φ—来流角。

重力载荷

叶片自重产生叶片的重力载荷，叶片旋转在过程中，重力给叶片带来一个正弦规律变化的载荷，其频率对应于风轮的转速。

离心力载荷

风轮旋转产生离心力，方向沿着叶片向外，随转速的增加而增大，使叶片承受拉力。

本文的研究对象为课题组自行设计的加厚翼型，风轮直径为1.4m，额定输出功率300W，额定来流风速 8m/s，额定尖速比λ=5。该翼型最大弦长位于沿叶片展向0.2R处为19 3.2mm，最大扭角为28.95°。采用Soildworks建模软件进行1：1建模，然后导入ANSYS Workbench中，为了更好地接近实际情况，对模型进行边界条件以及载荷的施加，对模型进行网格划分，采用四面体网格划分方法，气动载荷通过CFX模块进行施加，离心力载荷用过改变风轮转速的方式施加，重力载荷则通过实际重力方向施加。

2.结果分析

选取额定风速8m/s，额定尖速比λ=5的工况下进行数值模拟分析，结果如图1所示：

图1 等效应力云图

通过等效应力云图的结果可以看出等效应力集中的区域出现在叶根部位，从云图中可以看出，沿着叶片弦线方向等效应力呈现先增大后减小的趋势，前缘和后缘点的位置等效应力值最小，最大等效应力只出现在最大弦长的0.4-0.5C的位置。

接下来对叶根应力集中位置进行单独分析，结果如图2所示：

图2 叶根等效应力规律

通过对额定风速下，尖速比从λ=4-6.5，进行分析。选取4的测点的等效应力值进行分析，由图表可以看出与云图结果基本一致。

结语

随着尖速比的增加，等效应力值逐渐增大，总体趋势呈现从前缘到后缘先增大后减小的规律，最大等效应力出现在0.4-0.5C的位置处。

[1]A.Gangele, S.Ahmed.Modal Analysis of S809 Wind Trubine Blade Considering Different Geometrical and Material Parameters[J].Journal of the Institution of Engineers.2013,94(3)：225-228.

[2]Kucuk Mumin，Cetin Numan S，Emeksiz Cem.et al.Stress Analysis of Shape Memory Alloys Used in Wind Turbine Blade Root Connection[J].Energy Education Science and Technology Part A： Energy Science and Research.2012, SPEC.ISS.1(30)：667-676

[3]周鹏展，曾竟成，肖加余等.大型水平轴风力机叶片应力特征分析[J].可再生能源,2009(5)：6-9