IJRM 旋转机械的国际期刊 1542 - 3034 1023 - 621 x Hindawi 10.1155 / 2018/1840914 1840914 研究文章 静态力学性能和模态分析的一种升阻组合式垂直轴风力涡轮机 http://orcid.org/0000 - 0001 - 8630 - 7182 冯 方 1 2 曲 他 3 赵 Shouyang 3 白 Yuedi 3 郭 二食堂 3 http://orcid.org/0000 - 0003 - 2052 - 6862 李 杨ydF4y2Ba 2 3 Salameh 塔里克·s·Z。 1 大学的科学 东北农业大学 哈尔滨 中国 neau.edu.cn 2 黑龙江省级重点实验室的技术和设备在寒冷地区农业可再生资源的利用 哈尔滨150030 中国 3 工程学院 东北农业大学 哈尔滨 中国 neau.edu.cn 2018年 7 8 2018年 2018年 27 10 2017年 05年 07年 2018年 30. 07年 2018年 7 8 2018年 2018年 版权©2018方冯et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

为了探索一套方法来分析结构的升阻组合式垂直轴风力涡轮机(LD-VAWT),一个小LD-VAWT设计根据相应的标准和小型垂直轴风力机的总体设计要求。有限元法计算并分析主要部分的静态力学性能和形态的一种小型LD-VAWT。得到了相应的应力和位移的轮廓,和第一six-order模式振动的主要部分也得到了。结果表明,主体结构部分LD-VAWT满足设计要求的额定转速的工况。此外,期间没有发生共振的主要部分在模拟操作。原型LD-VAWT是基于本研究的分析和仿真结果和经营稳定。在这项研究中使用的方法可以用作参考的静态力学性能和垂直轴风力涡轮机的模态分析。

 基金会的风能和太阳能技术重点实验室,教育部 1。介绍

垂直轴风力发电机(VAWT)具有结构简单,不需要特殊设备。此外,它是环保的;因此,近年来发展迅速。其中,Straight-Bladed垂直轴风力涡轮机(SB-VAWT)更深入地研究了由于更好的功率特性和风能的转换效率更高。然而,起始特性并不好,这是一个重要的因素限制的发展SB-VAWT [ 1]。因此,改善起动特性SB-VAWT已成为许多学者研究的焦点( 2]。唐精等。 3)已经安装了风罩顶部和底部SB-VAWT增加流的速度可以提高风力涡轮机的启动性能;吴志诚et al。 4)改变了对称风风转子在偏心转子为了提高起动转矩的风力涡轮机。空气动力特性的理论计算和模型试验是众多;然而,静态和动态力学性能的分析风力发电机结构设计原型。m . SaqibHameed et al。 5)表明,更大的叶片离心荷载主要引起弯曲变形,用有限元方法比较叶片的机械性能在铝和玻璃纤维增强塑料(FRP)。结果表明,FRP更合适的刀片材料;林王( 6)利用有限元分析和遗传算法优化的结构和重量叶片强度的要求;张婷婷et al。 7]分析了主轴的动力学Darrieus风力涡轮机,计算风速的范围可以避免共振,并获得最优的管壁厚度主要轴;王见瑜( 8]分析了叶片脱落涡的影响在塔和主轴的动力学。研究表明,脱落涡可以引起共振;尼达尔·h·Abu-Hamdeh [ 9]利用ANSYS模型的大多数结构组件的可折叠的垂直轴风力发电机,从数学模型和数据被用来验证涡轮的结构和轴是可以接受的应力和应变范围内,实验的结果验证了数学仿真分析;于唐( 10)使用ANSYS Workbench静态和模态分析模块,使负载分析的风力发电机内部维修升降平台和获得平台的桥梁结构的最大应力和变形的地点和形式;大肠Verkinderen [ 11]分析了耦合结构通过multidegree自由系统,以及通过有限元(FE)方法数值H-Darrieus垂直轴风力机;郑李( 12)提出了一个方法来模拟风力涡轮机变速箱系统多体动力传动系统动态分析软件,以及风力发电机齿轮箱的模态分析的基础上,可进行多体动力学理论。上述研究只是集中在分析常见的垂直轴风力发电机。然而LD-VAWT的分析结构,它并没有建立一套完善的设计方案和方法。因此,本文将搜索结构的静态和动态力学性能基于小型升降式垂直轴风力涡轮机( 13- - - - - - 21)并提出一套合适的研究计划和方法引用其他LD-VAWTs和垂直轴风力机。

 2。风力发电机的设计 2.1。风力发电机模型

LD-VAWT设计模型如图 1,基本结构参数如表所示 1。

 2.2。风力发电机的结构设计

(1)风力转子:风LD-VAWT转子是一个重要组成部分,可以将风能转换成机械能。拖动转子,它主要由叶片梁、主轴等。主叶片是由玻璃钢的特点是轻,强度高,耐腐蚀,制造容易。主要的叶片是中空的,加入了两根肋骨,这可以减少叶片的重量。主叶片如图 2。

拖动转子的形状是半圆柱形表面薄的壁厚。为了减少重量的强度要求的前提下,铝合金材料被选中。铝板的厚度是3毫米。拖动转子的结构如图 3。

在图 1梁支持主叶片和叶片所产生的扭矩传输到主轴。为了提高抗弯强度,方钢是选为梁的结构。平方钢Q235的材料。横截面的大小是60×60毫米和墙的厚度是3毫米。

(2)发动机舱:发动机舱由交流发电机,电磁制动器,主轴,支持酒吧如图 4。盘式永磁同步发电机交流发电机。制动器的动态摩擦力矩是400 N·m。

主要轴短舱是在设计过程中一个重要组成部分。轴的直径设计基于类比法和经验法。主要轴的最小直径是40毫米和角接触球轴承型号7214。

(3):塔塔的作用是支持和解决风力转子和发动机舱。塔是Q235的材料,结构如图 1,配置参数如表所示 2。

 3所示。静态力学性能分析的结构 3.1。主要的叶片

期间主要叶片的负荷操作主要包括星体 G l ,离心力载荷 F r l 引起的旋转,空气动力载荷 F p l 从风。根据理论计算,星体 G l 是312 N,离心力 F r l 6843 N,风荷载 F p l 95.6 N。

主要分析了叶片的静态力学性能有限元方法(FEM)。四面体元素被选中作为网格类型的主叶片和元素类型是Solid186。最后,616368叶片的有限元模型元素和212397个节点。主叶片的材料是玻璃钢材料属性如表所示 3。

为了模拟主叶片和梁之间的连接关系,固定约束添加连接点。风荷载是应用于主叶片的迎风面压力,主要的叶片重量计算的质量和重力加速度和转动惯量的离心力计算负载。上面的负载是主要应用于模型的叶片。最后,应力和位移的轮廓在额定工作条件下可以得到如图 5和 6。

从图 5叶片45.4 MPa的最大应力出现在主叶片和梁之间的连接。玻璃钢是320 MPa的压力有限,在这个设计安全系数为1.5。然后玻璃钢的最终容许拉应力是213 MPa。根据仿真结果,主要叶片的结构强度满足设计要求( 22]。从图 6,叶片的最大节点位移主要出现在叶片的尖端和值是15.1毫米,这是比中间部分的变形。这表明变形不影响风力发电机的动态特性,这意味着结构符合设计要求( 23, 24]。

 3.2。拖动转子

力学性能的计算方法拖动转子叶片主要是一样的。画面左侧的 G D 是210 N,离心力 F r D 1381.75 N,风荷载 F p D 56.77 N。

185年固体元素用于网格和元素和节点的数量是457865和6956782,分别。拖动转子的材料是铝合金和材料属性如表所示 4。

在分析过程中,节点拖动转子表面上行和下行表面的克制。经过计算,应力和位移的轮廓在额定条件下得到如图 7和 8,分别。

从图 7,拖动转子为161.4 MPa的最大应力低于铝合金的极限应力。图 8表明,拖动转子位移,满足设计要求。

 3.3。梁

梁的最大负载发生在额定转速100 r / min的风力转子。因此,分析梁的应力和变形是在额定转速条件下进行处理。力和扭矩可以计算如表所示 5。梁的材料是Q235-A (16 mn)和属性如表所示 6。

自由度(自由度)的位移约束X, Y, Z方向的尽头连接梁的位置和主轴。然后重力荷载、离心荷载和转矩负载应用模型,分别。梁的应力和位移的轮廓在额定条件下通过计算得到如图 9和 10,分别。

从图 9最大压力是89 MPa,出现在梁之间的连接位置和主轴。因此,应加强结。从图 10,最大位移发生在梁的升力和阻力是固定的和最大变形为2.4毫米。梁的强度需要满足检查公式( 1) (1) δ 米 一个 x < δ 年代 在哪里 δ 米 一个 x 最大应力,( δ 材料屈服极限应力,本文( δ )是235 MPa, 年代)是安全系数,这是选为1.5。

的计算, δ 米 一个 x 低于许用压力。

刚度验算公式如下所示: (2) ω 米 一个 x l < ω 米 一个 x / l 年代 在哪里 ω 米 一个 x 梁的最大位移,2.4毫米, l梁的长度是2米,( ω 米 一个 x / l是简支梁的容许挠度,l / 500。

计算后, ω 米 一个 x / l = 1.2 ×10−3m < [ ω 米 一个 x / l ] / 年代 = 2.6 ×10−3米,额定转速下的梁的刚度满足设计要求。

 3.4。主轴

主轴主要受重力荷载,离心载荷和气动载荷。加载的值如表所示 7。

在主轴的静态力学分析,四面体元素用于网格网格。元素和节点的数量是87536和159853,分别。主轴的材料是40 cr,属性如表所示 8。

根据装配关系,最后主要轴与发电机是受限的。主轴的星体负载应用与重力加速度,风力转子的重力是应用在法兰安装位置,风力转子的扭矩也应用于安装法兰的位置。仿真结果如图 11和 12,分别。

从图 11的最大应力主轴是26.3 MPa梁之间的连接位置和主轴。从图 12,最大位移主要轴的顶部是0.27毫米。

根据公式( 1),主轴的最大应力 δ 米 一个 x 26.3 MPa,极限应力 δ 是980 MPa,和安全系数 年代 是3。最大的压力 δ 米 一个 x 低于许用压力。同样主轴的刚度需要满足刚度验算公式如下: (3) y 米 一个 x ≤ 0.0005 l 在哪里 y 米 一个 x 主轴的最大变形和吗 l主轴的长度是3400毫米。

计算结果表明,主轴的最大变形为0.27毫米。

 3.5。塔

塔主要承受水平推力的风力转子风力转子和发动机舱的引力,引力,风力转子的扭矩,风压力作用在塔上。塔上的载荷分布的值如表所示 9。

185年塔Q235和固体材料选择元素类型。元素和节点的数量是15696和30864,分别。

塔的底部是受限的。上述加载的模型应用于塔和塔的应力和变形的轮廓图所示 13和 14,分别。

从图 13塔是29.5 MPa的最大应力出现在塔的底部。从图 14塔是5.3毫米的最大变形。根据塔设计的工程经验 25),塔的最大变形量应小于0.5 ~ 0.8%的塔的高度。Q235为156.7 MPa的极限应力高于最大应力29.5 MPa在图 14。

 4所示。模态分析

当风力涡轮机在自然环境、工作负载是复杂多变的。空气的力量、惯性力和弹性力应用于风力涡轮机的叶片可以使叶片和塔变形和振动。如果激振力的频率接近结构的固有频率,风力涡轮机的共振可能导致损坏。为了避免共振,风力涡轮机的固有频率应不同于野生激振力之一。因此,模态分析应在风力发电机的结构设计。

4.1。主要的叶片

主要叶片模态分析中使用的模型是一样的统计分析。的低阶模式主要叶片叶片的稳定性有很大的影响和疲劳,和第一个six-order模式和计算固有频率如表所示 10。在图所示的振动模式 15。

从图 15、一阶是18.0535赫兹的频率和主叶片的一阶临界转速计算公式如下: (4) n 0 = 60 f 一阶临界转速 n 0 1083 r / min,高于主叶片转速。这意味着主要叶片的共振操作期间不会发生。

 4.2。拖动转子

拖动转子模态分析中使用的模型是一样的静态分析。同样的频率第一six-order模式如表所示 11和振动模式如图所示 16。

从图 16,一阶的固有频率是50.2653赫兹,和第一拖动转子的临界转速计算公式( 4)是3016 r / min。拖动转子的旋转速度远低于临界转速,这意味着叶片手术期间不会发生共振。

 4.3。主轴

主轴是风力转子和发动机舱的重要部分,这不仅需要检查强度和刚度,还避免共振现象。因此,基于模型的静态力学性能分析,第一six-order模式主轴的固有频率如表所示 12和主轴的振动模式如图所示 17。

从图 17一阶模式是8.35907赫兹的频率。当风转子工作转速100 r / min,令人兴奋的频率受到由风力转子主轴是1.667赫兹。然而,一阶的固有频率是8.35907赫兹,它高于工作频率,这意味着在操作将不会发生共振。

 4.4。塔

类似塔的有限元模型的模态分析是一样的静态力学性能分析和塔和地面之间的接触表面是限制。塔的第一six-order模式的固有频率如表所示 13,塔的振动模态图所示 18。

从图 18一阶模式是15.2166赫兹的频率。根据前面提到的频率 f 1 额定转速下的风转子是1.67赫兹。风转子有三个叶片;因此,通过频率 f 2 主要的叶片是5.01赫兹。根据工程经验( 26),一阶频率 f 01 塔必须高于通道频率 f 2 叶片和满足的公式: (5) f 01 - - - - - - f 02 f 2 ≥ 10 % 计算结果符合上述条件,这意味着风力转子的励磁不会导致塔产生共鸣。

 5。的原型LD-VAWT

根据设计LD-VAWT静态力学性能和模态分析,结果表明,风力涡轮机的设计结构是合理的。一个原型LD-VAWT是设计和制造的。这是测试在中国东北农业大学农场在图所示 19。

基于其操作情况的观察一段时间,风力涡轮机可以根据设计目标,安全稳定工作表明,设计方案是可行的,证明LD-VAWT的思路和方法是正确的。本文分析LD-VAWT的结构提供了参考。

 6。结论

为了探索一套关于LD-VAWT的结构设计和分析方法,本文了小规模LD-VAWT为例,分析了静态力学性能并通过有限元模态分析方法;结论如下。

得到了相应的应力和变形轮廓通过使用ANSYS分析风力发电机的静态力学性能的主要部分,它认为,风力发电机的结构满足设计要求。

第一six-order模式振动的主要部分也得到了基于模态分析,得出结论,每个主要部分不共振的共振在操作。

原型LD-VAWT是基于本研究的分析和仿真结果和经营稳定。在这项研究中使用的方法可以用作参考的静态力学性能和垂直轴风力涡轮机的模态分析。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项研究是由基金会支持的项目2017 ms02风能和太阳能技术重点实验室,教育部。作者感谢支持者。