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)過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和測試。

圖 由韓國能源研究所設(shè)計的具有空氣動力學(xué)特性的葉片外形

韓國正在努力建設(shè)可持續(xù)性發(fā)展城市，通過“綠色新政”，大力投資可再生能源行業(yè)，包括計劃建造世界上最大的海上風(fēng)力發(fā)電廠。如果沒有一流的研究設(shè)施來應(yīng)對這些艱巨的工程挑戰(zhàn)，那么將無法實現(xiàn)如此大規(guī)模的項目。

韓國能源研究所致力于先實現(xiàn)碳中和，其風(fēng)能研究小組的戰(zhàn)略重點是開發(fā)風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)，進(jìn)行性能測試和認(rèn)證。他們借助在結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)設(shè)計和分析方面的專業(yè)知識，將這項“綠色新政”付諸實踐。

挑戰(zhàn)

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

通用電氣 (GE) 公司和國家可再生能源實驗室 (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，這是一項艱巨的工程任務(wù)。增加的織物的質(zhì)量使得設(shè)計需要進(jìn)行修改，來保證屈曲余量，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合適的開發(fā)平臺來探索這些方面的設(shè)計權(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)的韓國航空航天大學(xué)機(jī)械工程小組對織物覆蓋的葉片進(jìn)行了計算和實驗研究，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。實驗選用了較小的10 kW功率的復(fù)合材料風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，因為這樣的葉片可以在大學(xué)實驗室中制造和測試。

使用變分漸近梁截面分析(VABS) ，根據(jù)橫截面來設(shè)計葉片。使用 MSC Nastran 在設(shè)計載荷下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。并且對風(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)勢之一是，仿真結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)的匹配度很高。本研究中實驗結(jié)果和分析結(jié)果之間的差異 < 10%。

韓國航空航天大學(xué)

用于測試翼型葉片的物理測試設(shè)備

在這項研究中，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)測試結(jié)果進(jìn)行了比較。在測試臺上，單軸加速度傳感器將擺動方向和邊緣方向的加速度轉(zhuǎn)換為電信號，沖擊錘將激勵施加到葉片上。DAQ 系統(tǒng)在葉片振動時測量加速度數(shù)據(jù)。對葉片在多種負(fù)載和多種配置下進(jìn)行了測試，包括沿邊緣和擺動方向。MSC Nastran 在擺動和邊緣方向與實驗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)建立一個更加可持續(xù)性的未來。