Strand7: 应用实例: 风轮机

风轮机叶片分析

澳大利亚纽卡索大学机械工程系的风能小组已经研究空气动力学和小型水平轴风力涡轮机叶片的结构设计很多年。与澳大利亚能源协会和澳大利亚国防工业的同行一起,风能小组已经利用树脂传递模(RTM)为功率5千瓦的机器设计和制造了轻型叶片。这种2.5米长的复合材料叶片质量为5千克,具有高的抗折强度,其基本振动频率高于叶片的设计转动速度。



该小组是可再生能源合作研究中心(ACRE)的成员,现在正在为功率20千瓦的机器设计和建造试验叶片。他们已为澳大利亚风能公司设计和制造了供600瓦和1.2千瓦机器使用的叶片。一个示范性的5千瓦的风力涡轮已在纽卡索海边的历史名镇Fort Scratchley建成,它是纽卡索市政府与新南维尔士州能源办公室基金资助项目的一部分。该小组正在广泛应用此涡轮于研究工作中,以求增进对风力涡轮叶片特性的了解。
要求叶片具有理想的空气动力学性能,则它应有翼型横断面、变化的弦并且能被扭曲。施加在叶片上的持续荷载主要是由于叶片旋转而产生的径向荷载和由空气动力荷载引起的弯矩。这些荷载的方向性也要求材料具有较强的方向性。由于风的不稳定性,风力涡轮的叶片要承受高疲劳荷载,要求它们用疲劳寿命长的材料制造。此外,必须精确复制叶片的复杂三维几何结构以得到最大的空气动力学性能。基于以上原因,最有效的满足这些要求的方法是用层状复合材料制成叶片。


叶片包括玻璃纤维合成材料的外皮和泡沫芯。泡沫材料芯用来增强叶片的抗弯能力,以防止相对薄的外皮由于压力作用而失稳。为了降低惯性矩和最大限度地减少启动时间,小型风轮机的叶片必须是强度大而重量轻。为了达到上述要求,有限元模拟的主要任务就是决定玻璃纤维的数量和布置。
考虑到叶片在离心荷载下的应力强化作用,用非线性静力求解器计算处于工作状态的叶片的应力。非线性分析的开始两步增量离心力加载用于使叶片材料进入强化阶段。在接下来的增量步中逐步增加空气动力荷载。在有限元分析之前曾对Fort Scratchley风轮机运转中的涡轮叶片用应变片进行了详细监测。结果表明有限元分析结果与实测值吻合得很好。
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