基于ANSYS的运行环境下风力机气动载荷分析与研究

关 新，梁 斌，石 磊，高景兴

（1.沈阳工程学院新能源学院，辽宁沈阳 110136；2.华电铁岭风力发电有限公司，辽宁铁岭 112000；3.辽宁装备制造职业技术学院，辽宁沈阳 110161）

叶片是风力机一次能源系统的关键部件，其主要作用是将自然风所携带的能量转换成旋转机械能，叶片结构和材料的完整度对风力机安全运行起至关重要的作用。风力机叶片上下翼型的外轮廓，直接影响风力机的发电效率。为更好地利用风资源，叶片翼型从传统的飞机机翼逐渐演变成风力机专用叶片翼型。在正常运行工作时，叶片翼型与飞机翼型在大气中不同：一方面风力机叶片工作时，其叶素迎角扭转变化很大；另一方面风力机叶片叶素是在低雷诺数下工作。在进行风力机叶素设计时，为了有效地提高风能利用系数，要使风力机的风轮旋转能量损失越小越好，即风力机叶片阻力越小越好。因此，升力系数的提高是叶片扇叶择优的唯一标准。从飞机翼型理论中可知，升阻比（CL/Cd）对于翼型是重要的标准之一。升阻比在150～170的为一般流线翼型，某些特殊结构的理论翼型升阻比可达到400左右。通常，叶片翼型升阻比随着雷诺数的增加而增加。

风力机叶片的结构要求其具有足够的刚度、强度和稳定性，其中风力机叶素所经受的载荷是强度分析的关键。通过ProE机械三维设计软件对风力机叶片进行3D建模，获得叶片的模拟图像，并基于叶片动量理论（BEM），模拟和分析风力机在正常或极端条件下的负载，利用有限元软件（ANSYS）对其在空气流场的正常情况下模拟分析出叶片上所受气动应力的分布规律，其生成结果可作为对风力机叶片载荷设计的重要参考[1-2]。

1 叶片三维实体建模

风力机叶片表层形状呈现空间曲线形状，具有复杂的气动载荷分布，利用ProE三维设计软件进行叶片实体建模，并将其转化为IGES文件，导入有限元分析软件中，其建模结果如图1所示。

图1 风力机叶片三维实体模型

2 风力机叶片流体域设计

ICEM CFD软件是美国ICEM Technologies公司的产品，其具有强大的CAD模型修复功能。自动从模型背板中提取结构化网格、非结构化网格和自适应自动网格。

主要工程步骤如下：

1）导入几何模型图形，并提取文件中的点、线和面，整理和修改模型；

2）修复导入过程中引起图形的线或面缺失等原有的几何特征或表达错误的程序；

3）生成四面体结构网格；

4）通过查看网格质量分布，改正质量差的小网格部分和区段；

5）边界层网格加密；

6）光顺网格表面，改善网格质量，最终得到叶片流体域及叶片网格模型[3-5]，如图2和图3所示。

图2 叶片流场域

图3 叶片网格模型

3 叶片载荷计算分析

FLUENT的数值算法包括问题耦合和非耦合之间的显示和隐式的不同算法，采用不可压流体的亚音速气体作为模拟分析对象，并结合标准k-ε算法气体湍流模型，故该物理模型为多相流模型。

关键参数设置包括流动进口、出口边界设置，压力进口边界设置，质量流量进口边界要求，速度进口边界速率，进口通风边界的选择，进口风扇边界的选择，压力出口边界设定，压力远场边界设定，自由流出边界，出口通风边界，排风扇边界，壁面边界，对称边界，周期性边界，内部边界面等，并重点考虑流体材料属性，求解器采用求解插值函数及网格的自适应功能函数。

具体边界条件设置时，基于风电场提供2018年5月13日13时20分的风资源数据，进口设置为速度入口速率，速度值为12 m/s，出口边界条件压力设置为0。选择正常风力机叶片离散化后的耦合分析方法进行流场初始化，流场域保持12 m/s的空气速度。流场的求解迭代步骤为3 000步，模拟分析风力机运行风速为12 m/s，图4为风力机切出风速为25 m/s的压力分布图，图5为极端风速为50 m/s的条件下叶片的压力分布图。

图5 50 m/s风速叶片压力分布

用叶片正常运行的最大承受应力和切出风速最大应力以及极端风速情况下的应力相比较，即9.13 m/s＜3.92×102m/s＜1.59×103m/s。在所有材料中，结构钢为混合的碳纤维结构材料，提取碳纤维复合材料的叶片的载荷谱分析数据，如表1所示。

由表1中的数据可知，风力机叶片在正常运行时的最大应力远小于玻璃钢能够承受的最大应力值，所以风力机叶片可以用玻璃钢复合材料制作。

表1 碳纤维复合材料载荷谱叶片

4结 论

风力发电机作为一个整体，在正常运行的状态下发电时，叶片不断地旋转将风能转化为机械能，最后通过发电机转化为电能，并入电网系统。叶片作为一个最重要的接受风能的直接装置，必须要保证叶片的安全受力，以及叶片在一段时间内能够承受住极限工况，并保证安全运行。因此，研究风力机的气动载荷主要是研究风力机叶片的气动载荷分布情况。叶片所用材料为玻璃纤维或环氧树脂，在安全设计的情况下，叶片形状为不规则模型是为了最大利用风能。因此，为了模拟叶片上的气动载荷分布，在叶素理论的情况下将整个叶片划分成若干个单元计算是叶片载荷计算的首选方法。在ANSYS CFD建立好的流场中，可计算出叶片每一叶素的载荷大小，便于叶片工程设计人员对风力机叶片的结构及材料进行优化、改进和完善。