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风力发电机风轮叶片三维模型的构建
徐超 2023/3/26 14:29:01
（淮安生物工程高等职业学校 江苏省淮安市 223200）
作者简介：徐超（1978.11.25），男，江苏淮安人，讲师，研究方向：机械制造。
摘要：对于风力发电机组而言，最核心的部件是风轮叶片。它的作用是将大自然中的风能转变为机械能，再完成机组从机械能到电能的转换。由此可见，叶片是整个机组的能量转换枢纽。因而在叶片设计完成后，其强度性能的好坏（包括材料性能、静载荷强度分布、模态及固有频率等），直接关系到机组的各项性能指标（如使用寿命、发电效率、运行稳定性等）。而实际情况是，风轮叶片是直接暴露在自然环境下运行的，所以，受气候条件的影响，尤其是极端气候条件下，机组容易发生发电效率降低、零部件损坏等故障。例如，在经历一场级数较强的暴风袭击后，叶片容易产生变形、断裂等破坏，而由于其本身所承受的载荷种类繁多，直接从理论上精确描述是不可能的。因此，叶片在设计完成之后，翼型选择是否合理、参数设计是否满足要求，只能够通过对叶片模型进行有限元分析来实现，，而要进行分析就需要先构建叶片三维模型。通过模拟分析，可以提前预判机组的力学性能，对进一步的优化设计、机组的稳定安全运行都具有重要的指导意义。
关键词：风轮叶片 相似理论 三维模型构建
风力发电机风轮叶片三维模型的构建是以流体机械的相似定律为依据，来建立原型机和模型机之间的参数关系（如风轮直径、叶尖速比、额定风速等），并确立模型的参数，我们选择NACA63-430为模型翼型，根据翼型数据，在UG软件中，建立风力机叶片三维实体模型。
一、风轮叶片三维模型构建流程
对风力发电机叶片进行有限元分析，决定计算结果精度的首要步骤，就是建立一个精确的三维模型。通常情况下，风力机的叶片是一个复杂的、无规则的光滑曲面结构体。该特征也对建模的过程造成了一定的困难。故一般情况下，将风力机叶片抽象成许多断面（也称翼型），再利用相邻面之间的扫掠关系完成模型的构建。叶片建模的一般流程，如图1所示。
图1 叶片模型建立流程
二、风力机相似理论及模型概况
在风力发电机组叶片的模型构建中，首先需要利用几何相似原理，按照一定的比例，将原型机缩小。这样便简化了模型建立的过程。然而，各工况下的模型参数，与相同工况下原型机的参数，是否还存在某种相似准则，是必须进行探讨的。根据空气动力学的相似性原则，假设流体的流动形式相同，则只要符合几何相似和运动相似的准则，则二者必定满足相似定律。对于风力发电机而言，通常以此来作为测试参数的依据。
根据上述相似理论，在模型建立过程中，按照模型机与原型机几何尺寸1:4的比例，建立叶片模型。部分参数如表1所示。
表1 2.0MW水平轴模型机参数（部分）
风机类型 水平轴风力机
叶片数 3
风轮直径 23 m
额定转速 15.35r/min
切入风速 3 m/s
额定风速 10.8 m/s
切出风速 25 m/s
额定功率 2.0MW
叶片锥角 3.5°
叶片仰角 5°
转轴倾角 0°
三、风力机叶片翼型的确定
翼型，是风力机叶片的横截面形状。通常情况下，翼型的确定是由空气动力试验来确定其形状的弦长、中线、厚度等参数，如图2所示。因此，对于风力机叶片的设计，可以从翼型的型谱里面选择，然后通过翼型的组合形成叶片模型。
图2 翼型示意图
通常情况下，风力发电机的叶片形状是尺寸不同的相同翼型，在空间当中按照一定规律进行排列而成的整体。即在风力机的叶片模型构建中，多个翼型断面搭接形成了模型整体。而在叶片翼型的确定过程中，是以气动性能最优工况为基准来确定的。因此，翼型的选择原则为：（1）在一定的攻角范围内，有足够高的升力系数 ，且阻力系数 较低；（2）机组在正常运行时，所有断面上的雷诺数 ，均需高于临界值。综上所述，翼型的确定环节，需选择目前在气动性能试验中研究最为成熟的种类。根据2MW风力机的风轮直径较大的特点，本文中叶片的翼型类型定义为NACA63-430。该翼型是目前风力机当中最为常用的翼型类型。其形状特点为：截面的最厚处约在叶片弦长30%的地方，且离翼型前部的长度约为弦长的40%，轮廓形状如图3所示。
（未完，下一页）
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