本文將介紹功率10kW的具有織物覆蓋的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其研發(fā)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試。

圖 由韓國(guó)能源研究所設(shè)計(jì)的具有空氣動(dòng)力學(xué)特性的葉片外形

韓國(guó)正在努力建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展城市，通過(guò)“綠色新政”，大力投資可再生能源行業(yè)，包括計(jì)劃建造世界上最大的海上風(fēng)力發(fā)電廠。如果沒(méi)有一流的研究設(shè)施來(lái)應(yīng)對(duì)這些艱巨的工程挑戰(zhàn)，那么將無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)模的項(xiàng)目。

韓國(guó)能源研究所致力于先實(shí)現(xiàn)碳中和，其風(fēng)能研究小組的戰(zhàn)略重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)，進(jìn)行性能測(cè)試和認(rèn)證。他們借助在結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和分析方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，將這項(xiàng)“綠色新政”付諸實(shí)踐。

挑戰(zhàn)

由于發(fā)電效率的不斷提高，風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸也越來(lái)越大，這反而又給建造、運(yùn)輸和安裝帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如何減輕葉片的重量已成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

通用電氣 (GE) 公司和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 推出了一種織物覆蓋的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片 [1]，可以減輕葉片的重量和制造成本。在重量平衡方面，這是一項(xiàng)艱巨的工程任務(wù)。增加的織物的質(zhì)量使得設(shè)計(jì)需要進(jìn)行修改，來(lái)保證屈曲余量，這導(dǎo)致很難減輕葉片的重量。

有很多因素需要考慮，材料、形狀、加強(qiáng)筋、翼梁。仿真方法提供了一個(gè)合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)探索這些方面的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

織物覆蓋的風(fēng)力渦輪機(jī) (WT) 葉片的概念結(jié)構(gòu)圖 

解決方案

由DrDong-KukChoi領(lǐng)導(dǎo)的韓國(guó)航空航天大學(xué)機(jī)械工程小組對(duì)織物覆蓋的葉片進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，確認(rèn)了葉片的結(jié)構(gòu)完整性與典型的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片相似。實(shí)驗(yàn)選用了較小的10 kW功率的復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，因?yàn)檫@樣的葉片可以在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中制造和測(cè)試。

使用變分漸近梁截面分析(VABS) ，根據(jù)橫截面來(lái)設(shè)計(jì)葉片。使用 MSC Nastran 在設(shè)計(jì)載荷下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。并且對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)在多種條件下進(jìn)行仿真，包括正常發(fā)電、停機(jī)、緊急停機(jī)和停車(chē)的情況。

模態(tài)、靜力和其他結(jié)構(gòu)分析可以確定主梁可以承受剪切載荷并安全運(yùn)行。

三維葉片有限元模型

三維葉片模型（左）撓度（右）

Tsai-Wu失效準(zhǔn)則指標(biāo)的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

結(jié)果

MSC Nastran 特有的優(yōu)勢(shì)之一是，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的匹配度很高。本研究中實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果之間的差異 < 10%。

韓國(guó)航空航天大學(xué)

用于測(cè)試翼型葉片的物理測(cè)試設(shè)備

在這項(xiàng)研究中，F(xiàn)EA 結(jié)果與帶有單軸加速度傳感器、沖擊錘和 DAQ 系統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。在測(cè)試臺(tái)上，單軸加速度傳感器將擺動(dòng)方向和邊緣方向的加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，沖擊錘將激勵(lì)施加到葉片上。DAQ 系統(tǒng)在葉片振動(dòng)時(shí)測(cè)量加速度數(shù)據(jù)。對(duì)葉片在多種負(fù)載和多種配置下進(jìn)行了測(cè)試，包括沿邊緣和擺動(dòng)方向。MSC Nastran 在擺動(dòng)和邊緣方向與實(shí)驗(yàn)的匹配度誤差分別為7.37% 和9.45% 。

擁有織物覆蓋的葉片的準(zhǔn)確 FEA模型將極大地幫助可再生能源行業(yè)建立一個(gè)更加可持續(xù)性的未來(lái)。