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 对风力发动机叶片的分析
发布者: 出处: 日期:2009/5/27 阅读:1820 推荐:0 点评:0
   

对风力发动机叶片的分析

澳大利亚纽卡斯尔大学机械工程系的风能小组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已经有很多年了。与澳大利亚能源协会和澳大利亚国防工业的高级合作小组一起,该风能小组已经利用树脂转动模(RTM)为功率为5千瓦的机器设计和制造了轻型叶片。这种2.5米长的复合叶片质量为5千克,叶片具有高转动强度,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建造了叶片供600瓦和1.2千瓦的机器使用。作为经纽卡斯尔市政府批准的NSW公司的能源办公室的一部分,一个示范性的5千瓦的风力涡轮已在纽卡斯尔省海边的历史名城Fort Scratchley建成。此涡轮正在被该小组广泛应用于研究工作中,以求增进对风力涡轮叶片特性的了解。

最理想的空气动力学性能要求叶片有翼型横断面,变化的弦并且能被扭曲。施加在叶片上的稳定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,风力涡轮的叶片必须能承受高疲劳荷载.这要求它们用疲劳寿命长的材料制造。此外,叶片的复杂三维几何结构必须被精确复制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。

开发了一个FORTRAN程序用来生成叶片的有限元网格。根据翼规范决定的设计条件下的空气动力压力也用FORTRAN程序求得并施加在翼的表面上。此程序的输出文件被格式化以直接输入Strand7中。

叶片由玻璃纤维合成材的外皮和泡沫的芯做成。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。为了降低惯性矩以最大限的减少启动时间,小型风力涡轮的叶片必须是强度大而重量轻。有限元模拟的主要目的就是决定玻璃纤维的数量和布置以达到上述要求。

由于叶片在离心荷载下的应力硬化作用,需用非线性静态求解器计算运行中叶片的应力。非线性分析的头两部施加离心力以得到硬化应力。在接下来的计算步中逐步增加空气动力荷载。在有限元分析之前曾对Fort Scratchley的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很好的吻合.

 

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