内蒙古工业大学学报JOURNALOFINNERMONGOLIA第30卷󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁UNIVERSITYOFTECHNOLOGY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.30No.22011

收稿日期:2010-09-12作者简介:王志德(1959-),男,内蒙古工业大学机械学院,副教授,从事工程图学方面的研究通讯作者:曹艳,讲师,从事工程数学方面的研究,E-mail:cy_llp@sina.com文章编号:1001-5167(2011)03-0081-05基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法

王志德1,胡志勇1,曹󰀁艳2,李艳霞3,张国兴1(1.内蒙古工业大学机械学院2.内蒙古工业大学理学院3.内蒙古工业大学图书馆呼和浩特010051)摘要:以G52-850kW风力发电机风轮叶片为例,利用Glauert涡流理论相关原理完成风力发电机风轮叶片的设计,基于三维CAD造型软件Solidworks,作出叶片断面的草图,用三种方法实现了叶片三维造型,对这三种建模方法进行了比较,具有一定的现实意义和实用价值。关键词:风轮叶片;建模;造型分析中图分类号:TP391.72;TP31󰀁文献标识码:A0󰀁引󰀁言

风轮是风力发电机(以下称风力机)最重要的部件之一。风力机就是依靠风轮把风所具有的动能有效转化为机械能并加以利用。风轮的设计好坏对风力机有重大影响。现代风力机风轮通常是采用三叶片的上风或下风结构。风轮叶展形状、翼型形状与风力机的空气动力特性密切相关。目前,在风力机风轮叶片的气动设计方面,还没有系统的设计模型和方法,只有针对某一方面的模型,这些模型还无法归纳成一套可靠的系统设计模型。一台好的风力机应当尽量增加升力而减小阻力,使之尽量趋于最大值,以增加风力机的风能利用系数。叶片气动设计主要是外形优化设计,这是叶片设计中至关重要的一步。外形优化设计中叶片翼型设计的优劣直接决定风力机的发电效率,在风力机运转条件下,流动的雷诺数比较低,叶片通常在低速、高升力系数状态下运行,叶片之间流动干扰造成流动非常复杂。针对叶片外形的复杂流动状态以及叶片由叶型在不同方位的分布构成,叶片叶型的设计变得非常重要。本文以Glauert涡流理论为依据设计叶片并优化,优化过程以叶轮的气动、功率数值计算为基础,根据不同的设计需要选取翼型。一般现代风力机的叶片都制成螺旋桨式的,目的是让整个叶片由根部到尖部各截面翼型的弦长与对应处的相对风速大致相同,并使其在最佳攻角值附近,使风力尽可能多地转换成叶片的升力,提高风力机的利用系数。1󰀁风力机风轮的主要数据参数

以辉腾锡勒风电厂所用的GAMESA公司的G52-850kW风力机为例,该风力机是三叶片式叶片,受风角度可调且主动偏航的风力机。其风轮和叶片的主要参数[1-3]如表1所示。表1󰀁风轮和叶片的主要参数Table1.Themainparametersofwindturbinesandblades风轮叶片直径52m叶片连接钢质根部插入扫过面积2124m2材料玻璃纤维增强的环氧树脂转速范围14.6-30.8rpm(55/65m塔架)16.2-30.8rpm(44m塔架)原理叶片外壳固定在内部支撑梁上旋转方向顺时针(从正面看)机翼/螺旋桨NACA63.XXX+FFA-W3转子定向上风长度25.3m倾斜角度6󰀁重量弦约1900kg/片叶片锥度3󰀁最大扭转16󰀁叶片数3根/尖2.3米/0.33m空气动力学制动全顺浆2基于Solidworks的风轮叶片建模

Glauert涡流模型考虑了风轮及叶片涡系对叶片气动特性的影响,由涡流引起的诱导风速可看成是由中心涡系、每片叶片的附着涡系及叶片尖部形成的涡系叠加的结果。主要公式为:Cibl=8󰀁r(1-k)sin2󰀁cos󰀁(1+k)cos(i-󰀁)其中:󰀁为叶片翼型气动特性的升力线角,󰀁为风轮旋转面与当地气流的夹角,k为中间变量。分析Glauert涡流理论设计的叶片,其实度Q为0.6,叶片根部的弦长比其它部分大,实际上这部分叶片对叶轮总的功率影响不大,可适当降低这部分叶片的弦长。另一方面,风轮产生的噪音往往随叶片叶尖弦的增加而提高,为降低噪音,也可适度降低叶片叶尖弦长。为了保证风轮的功率不下降,适度加大叶片从0.5R到0.8R区域内的弦长。应用Glauert涡流理论设计风轮叶片,把叶片分成若干叶素,分别对各叶素在最佳运行状态下进行空气动力学计算。相关参数有风轮半径R、叶素回转半径r、叶片数目b、叶尖速比󰀁以及最佳攻角i,升力系数(不同的翼型所对应的最佳攻角、以及最佳攻角处的升力系数都可以在profili软件中或者通过空气动力学相关公式计算获得)[1]。通过CAD软件可以模拟风力机叶片每一部分截断面的草图。在Solidworks环境中叶片的成型过程可以采用放样的方式形成,即根据给定的叶型参数,计算选定的断面轮廓线尺寸,作出各选定断面轮廓线的草图,再对各选定断面轮廓线的草图进行放样,方法有三种。2.1将叶片分成三段,即叶根部、叶中段和叶尖部。假定三段中每段各处断面都是均匀过渡,作出每段的首尾断面轮廓线草图,再对每段的首尾断面轮廓线草图进行放样。放样时后两段每段的首部草图和上部尾部草图相衔接是一样的,如图1-图4所示。

图1󰀁叶根部首尾两端断面图(相距为3米)及放样后的特征Figure1.Thecharacteristicsofleavesrootssectionaldrawingbothends(3mapart)andaftersettingout130󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁内蒙古工业大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年

图2󰀁叶中段首尾两端断面图(相距为20米)及放样后的特征图Figure2.Thecharacteristicsofleavesthemiddleofbothendstransect(20mapart)andaftersettingout

图3󰀁叶尖首尾两端断面图(相距为1.5米)及放样后的特征图Figure3.Thecharacteristicsoftip-sectionaldrawingbothends(1.5mapart)andaftersettingout

图4󰀁叶片总特征图Figure4.Characteristicsofleaves2.2将叶片分成三段,即叶根部、叶中段和叶尖部。假定三段中各断面是非均匀过渡,把每段再平均分成若干段。以叶中段为例,作出每一小段的首尾断面轮廓线草图,该草图中样条曲线上的各取样点的尺寸都和该处断面的弦长有关,各小段首尾两段弦长关系为L2=L1-2D*tg30(其中L2为尾段弦长,L1为首段弦长,D为首尾两段距离)。对每小段的首尾断面轮廓线草图进行放样。利用Solidworks插入下拉菜单的系列零件设计表-编辑表格命令,把每一段尾部的弦长输入Excel表格,在Excel表格中利用公式L2=L1-2D*tg30对每一段弦长进行编辑计算,得到一段叶片实体,如图5所示;对每一段叶片实体重新建模按顺序装配,得到叶片的三维模型如图6所示。

图5󰀁叶片中段系列零件设计表及每一段叶片实体Figure5.Leavesthemiddleofdesigntableandaleafofentity

图6󰀁叶中段实体模型Figure6.Solidmodelofthemiddleleaves131第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王志德等󰀁基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法󰀁󰀁󰀁2.3假定三段中每段各断面是均匀过渡,把每段均匀分成若干段,作出每段的首尾断面轮廓线草图,对各段断面轮廓线草图进行放样,如图7,图8,图9所示。

图7󰀁叶中段首尾断面轮廓线草图󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图8󰀁叶中段放样后的特征图Figure7.Inclusivecrosssectioncontourofleaves󰀁󰀁󰀁󰀁Figure8.Aftersettingoutthecharacteristicsofthemiddlesketch󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁themiddlelobe

图9󰀁方法3所得叶片特征图Figure9.Leafcharacteristicsfrommethod3可以看出用方法3得到的叶片特征图比方法1和2得到的特征图线型更流畅、更光滑。以上图形根据实际叶片上的每一断面草图得到。由于每一断面草图的轮廓线因部位不同曲线型式也不同,并不是由纯粹的样条曲线组成,如叶片迎风刃部是用圆弧生成的,以利于特征图抽壳,抽壳壁厚为15mm。

图10󰀁方法3得到叶片的质量特性Figure10.Thequalitycharacteristicsofleavesfrommethod3利用Excel表格把零件系列化,是Solidworks的特有功能,另外在Solidworks中零件的尺寸可以关联,改变零件上的某一尺寸重新建模之后可以随之改变零件大小和由零件组成装配图,而不需要对每个零件的所有尺寸都进行编辑。叶片成型之后,设定材料,查看其质量特性,可知其密度、质量、体积、表面积、重心、惯性力矩和惯性张量等。利用Solidworks还可以对叶片的各点曲率以及载荷进行分析。叶片组装后生成的风轮装配图如图11所示。132󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁内蒙古工业大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年

图11󰀁把叶片组装后的风轮装配图Figure11.Rotorassemblydrawingofafterassemblyblade3󰀁结󰀁论

利用Glauert涡流理论相关原理基于Solidworks完成了G52-850kW风力机的叶片设计,探讨了三种不同方法叶片断面草图的生成及三维模型的建立,分析结果表明将叶片均匀分成若干段进行放样的草图生成和建模方法效果较为理想。参考文献:

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WANGZhide1,HUZhigong1,CAOYan2,LIYanxia3,ZHANGGuoxing1(1.SchoolofMechanical,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot,InnerMongolia,010051,2.Collegeofscience,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot,InnerMongolia,010051,3.Library,InnerMongoliaUniversityofTechnology,Hohhot,InnerMongolia,010051)Abstract:Bytakingtheexampleofwindturbineandwindturbines'sbladesofG52-850kW,thispaperaimsatcompletingthedesignofwindturbines'sbladesusingtheGlauertvortextheory,achie-vingthethree-dimensionalshapeofthebladeswith3methodsbasedontheadvancedCADsoftwareofSolidworks,andanalyzingthebladeaerodynamiccharacteristics,whichisofpracticleimportance.KeyWords:windturbineblade;modeling;simulation133第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁王志德等󰀁基于Solidworks的风力发电机叶片的建模方法󰀁󰀁󰀁