一种升力组合式垂直轴风风力涡轮机的静态力学性能和模态分析

摘要

为了探索一组分析升降型型垂直轴风力涡轮机（LD-VAWT）的结构的方法，根据相应的标准和小垂直轴风的一般设计要求设计了小型LD-VAWT涡轮机。有限元方法用于计算和分析一种小型LD-VAWT的主要部分的静态力学性能和模式。获得了相应应力和位移的轮廓，并且还获得了主要部分的前六阶模式振动轮廓。结果表明，LD-VAWT的主要结构部分符合额定速度的工作条件下的设计要求。此外，在模拟中运行期间，所有主要部件的共振不会发生。根据分析和仿真结果，研制了LD-VAWT样机，并稳定运行。本研究中使用的方法可用作静态机械性能和垂直轴风风力涡轮机的模态分析的参考。

1.介绍

垂直轴风力机结构简单，不需要专门的装置来捕捉风。此外，它对环境友好;因此，近年来它得到了迅速的发展。其中，直叶垂直轴风力机(SB-VAWT)因其具有更好的功率特性和更高的风能传输效率而得到了较为深入的研究。但启动特性不佳，是制约SB-VAWT发展的重要因素之一[1］.因此，改善SB-VAWT的启动特性成为许多学者研究的重点[2］.唐静等[3.]在SB-VAWT的顶部和底部安装了风罩，以提高流量速度，可以提高风力涡轮机的启动性能;吴志成等。[4将对称风转子改为偏心风转子，以提高风力机的启动转矩。气动特性的理论计算和模型试验众多;然而，在设计原型机时对风力机结构的静、动态力学特性的分析却很少。M. SaqibHameed等[5]的研究表明较大的离心载荷主要引起叶片的弯曲变形，并采用有限元方法对铝和玻璃钢叶片的力学性能进行了比较。结果表明，FRP更适合作为叶片材料;林王(6]利用有限元分析和遗传算法在强度要求下对叶片的结构和重量进行优化;张婷婷等[7分析了达瑞风力机主轴的动力学特性，计算了可避免共振的风速范围，得到了主轴管壁的最佳厚度;王见瑜(8分析了叶片脱落涡对塔体及主轴动力学的影响。研究表明，脱落涡会引起共振;Nidal 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]采用ANSYS Workbench静力分析和模态分析模块对风力机内部维修升降平台进行载荷分析，得到平台桥结构的最大应力和变形位置及形式;大肠Verkinderen [11[，]通过多自由度系统对耦合结构进行了分析，并对H-Darrieus垂直轴风力机进行了数值计算;郑李(12]提出了一种利用多体传动系统动力学分析软件对风电齿轮箱系统进行仿真的方法，可以基于多体动力学理论对风电齿轮箱进行模态分析。以上研究仅针对普通垂直轴风力机的分析。然而，对LD-VAWT的结构分析较少，尚未建立一套完善的设计方案和方法。因此，本文将以小型提升式垂直轴风力机为研究对象，研究其结构的静、动态力学特性[13- - - - - -21，并提出了一套适用的研究方案和方法，可供其他类型的ld - vawt和垂直轴风力发电机参考。

2.风力机设计

2．1．风力发电机模型

设计的LD-VAWT模型如图所示1，基本结构参数如表所示1．

2．2.风力发电机结构设计

(1)风转子:LD-VAWT的风转子是将风能转化为机械能的重要部件。它由主叶片、阻力转子、横梁、主轴等组成。主叶片采用玻璃钢，具有重量轻、强度高、耐腐蚀、易制造等特点。主叶片为空心，采用两根肋加筋，减轻了叶片的重量。主刀片如图所示2．

阻力转子的形状为薄壁半圆柱面。为了在强度要求的前提下减轻重量，选用铝合金材料。铝板厚度为3mm。阻力转子的结构如图所示3.．

在图1横梁支撑着主叶片，并将叶片产生的扭矩传递给主轴。为了提高抗弯强度，梁的结构选用了方钢。方钢的材质是Q235。截面尺寸为60 × 60 mm，壁厚为3mm。

(2)机舱:机舱由交流发电机、电磁制动器、主轴和支撑杆组成，如图所示4．交流发电机为盘式永磁同步发电机。制动器的动摩擦力矩为400 N·m。

机舱中的主轴是设计过程中的重要组成部分。基于模拟方法和经验方法设计轴的直径。主轴的最小直径为40mm，使用具有型号7214的一对角接触球轴承。

(3)塔架:塔架的作用是支撑和固定风转子和机舱。塔体材质为Q235，结构如图所示1，配置参数如表所示2．

3.结构静力力学性能分析

3．1.主要的叶片

主叶片在运行过程中的载荷主要包括自重 ，离心力载荷由旋转和气动载荷引起从风。根据理论计算，自重是312牛，离心力为6843 N，风荷载95.6 N。

通过有限元方法（FEM）分析主叶片的静态力学性能。选择四面体元件作为网格类型的主刀片，元件类型是固体186。最后，刀片的有限元模型有616368个元素和212397个节点。主叶片的材料是FRP，材料特性如表所示3.．

为了模拟主叶片与梁的连接关系，在连接点处增加了固定约束。然后通过压力对主叶片迎风面施加风荷载，通过质量计算主叶片重量，通过转动惯量载荷计算重力加速度和离心力。上述载荷均施加在主叶片模型上。最后得到额定工况下的应力位移等值线图，如图所示5和6．

从图5，叶片最大应力为45.4 MPa，出现在主叶片与梁连接处。本设计中FRP的极限应力为320 MPa，安全系数为1.5。FRP的极限许用拉应力为213 MPa。根据仿真结果，主叶片结构强度满足设计要求[22］.从图6，主叶片节点位移最大出现在叶片尖端，值为15.1 mm，大于中部变形量。说明变形对风力机动态特性的影响较小，即结构满足设计要求[23，24］.

3．2．拖动转子

阻力转子的力学性能计算方法与主叶片相同。画面左侧的是210牛，离心力为1381.75 N，风荷载56.77 N。

采用实体185单元进行网格划分，单元数为457865，节点数为6956782。阻力转子材料为铝合金，材料性能如表所示4．

在分析过程中，对阻力转子上、下表面的节点进行了约束。经过计算，得到额定条件下的应力位移等值线图，如图所示7和8,分别。

从图7阻力转子的最大应力为161.4 MPa，低于铝合金的极限应力。数字8结果表明，阻力转子具有较小的位移，满足设计要求。

3.3。光束

梁的最大载荷发生在风轮额定转速100 r/min时。因此，对额定转速条件下的梁的应力和变形进行了分析。力和扭矩的计算方法如表所示5．梁的材料为Q235-A (16Mn)，性能如表所示6．

自由度约束在梁与主轴连接端部的X、Y、Z三个方向的位移。然后分别对模型施加重力载荷、离心载荷和扭矩载荷。通过计算得到额定条件下梁的应力和位移等值线图，如图所示9和10,分别。

从图9，最大应力为89 MPa，出现在梁与主轴连接端部位置。因此，应加强连接。从图10时，最大位移发生在梁端，在提升力和曳力固定的位置，最大变形为2.4 mm。梁的强度需要满足验算公式(1） 在哪里为最大应力，[δ为材料的屈服极限应力，本文[δ为235 MPa，而[年代]安全系数是选择为1.5。

的计算,小于许用应力。

刚度校核公式如下: 在哪里为梁的最大位移，2.4 mm，l为梁长，2米，/l为简支梁的允许挠度，l /500。

计算后， × 10⁻³m < [ × 10⁻³m时，梁在额定转速下的刚度满足设计要求。

3．4．主轴

主轴主要承受重力载荷、离心载荷和气动载荷。荷载值见表7．

在主轴的静力力学分析中，采用四面体单元进行网格划分。元素个数为87536，节点个数为159853。主轴材质为40Cr，性能见表8．

根据装配关系，主轴与发电机的末端受到约束。主轴的自重载荷施加重力加速度，在凸缘的安装位置施加风转子的重力，风转子的扭矩也施加在凸缘的安装位置。仿真结果如图所示11和12,分别。

从图11，主轴的最大应力是26.3MPa，位于光束和主轴之间的连接位置。从图12，最大位移位于主轴的顶部，为0.27mm。

根据公式(1)、主轴最大应力为26.3 MPa，极限应力[δ为980 MPa，安全系数是3。最大的压力小于许用应力。同样主轴刚度需满足刚度校核公式如下: 在哪里主轴的最大变形是和吗l主轴长度为3400毫米。

计算结果表明，主轴的最大变形为0.27 mm。

3．5.塔

塔体主要承受风转子的水平推力、风转子与机舱的重力、自身重力、风转子的扭矩以及作用在塔体上的风压。塔上荷载分布值见表9．

塔体材质为Q235，单元类型选用固体185。元素个数为15696，节点个数为30864。

塔底受约束。将上述荷载施加于塔架模型上，塔架的应力和变形轮廓如图所示13和14,分别。

从图13时，塔体最大应力为29.5 MPa，出现在塔体底部。从图14时，塔体最大变形为5.3 mm。根据塔楼设计的工程经验[25]时，塔的最大变形量应小于其高度的0.5~0.8%。Q235的极限应力为156.7 MPa，高于图中最大应力29.5 MPa14．

4.模态分析

风力发电机在自然环境中工作时，负荷是复杂多变的。风力机叶片上施加的空气动力、惯性力和弹性力会使叶片和塔架发生变形和振动。如果激振力的频率接近结构的固有频率，则可能导致风力机的损坏。为了避免共振，风力机的固有频率应不同于任意激振力的固有频率。因此，在风力发电机组的结构设计中应进行模态分析。

4．1.主要的叶片

模态分析所用的主叶片模型与统计分析相同。主叶片的低阶模态对叶片的稳定性和疲劳有很大的影响，计算前六阶模态和固有频率如表所示10．振动模式如图所示15．

从图15，一阶频率为18.0535Hz，主叶片一阶临界转速计算公式为: 一阶临界转速为1083 r/min，高于主叶片转速。这意味着主叶片在运行过程中不会发生共振。

4．2．拖动转子

模态分析中所采用的阻力转子模型与静力分析的模型相同。同样，前六阶振型的频率如表所示11振动模态如图所示16．

从图16，一流的自然频率为50.2653Hz，并由公式计算的阻力转子的第一临界转速（4)为3016转/分钟。阻力转子的转速远低于临界转速，这意味着在运行过程中叶片不会发生共振。

4.3。主轴

主轴是风转子和机舱的重要部件之一，不仅需要校核强度和刚度，还要避免共振现象。因此，基于静力力学性能分析模型，主轴前六阶振型的固有频率如表所示12主轴振动模式如图所示17．

从图17时，一阶频率为8.35907 Hz。当风轮转速为100 r/min时，主轴对风轮的激励频率为1.667 Hz。但一阶固有频率为8.35907 Hz，高于工作频率，即在工作过程中不会发生共振。

4．4.塔

同样，模态分析中塔架的有限元模型与静力力学特性分析相同，并且对塔架与地面的接触面进行了约束。塔架前六阶振型的固有频率见表13，塔架的振型如图所示18．

从图18，一阶模式的频率为15.2166Hz。根据之前提到的频率额定转速为1.67 Hz时，风力转子的风转子有三个叶片;因此通道频率主刀片是5.01 Hz。根据工程经验[26，即一阶频率塔的通频必须高于塔的通频，满足公式: 计算结果满足上述条件，即风转子的激励不会引起塔体共振。

5.的原型LD-VAWT

根据LD-VAWT的设计与静态机械性能和模态分析，结果表明，风力涡轮机结构的设计是合理的。设计和制作了LD-VAWT的原型。它在中国东北农业大学的农场测试，如图所示19．

通过一段时间的运行情况观察，该风力机能够按照设计目标安全稳定运行，说明设计方案是可行的，证明了LD-VAWT的思路和方法是正确的。本文为LD-VAWT的结构分析提供了参考。

6.结论

为探索一套LD-VAWT的结构设计与分析方法，以某小型LD-VAWT为例，采用有限元方法对其静力力学性能和模态进行了分析;结论如下。

通过使用ANSYS来分析风力涡轮机主要部分的静态力学性能，得到了应力和变形的相应轮廓，这结论了风力涡轮机的结构符合设计要求。

在模态分析的基础上，得到了主要零件的前六阶模态振动廓线，得出了各主要零件在工作过程中不会发生共振的结论。

根据分析和仿真结果，研制了LD-VAWT样机，并稳定运行。本研究中使用的方法可用作静态机械性能和垂直轴风风力涡轮机的模态分析的参考。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究由风能与太阳能技术教育部重点实验室基金资助项目2017MS02资助。作者感谢了支持者。

参考文献

1. 李勇，郑勇，赵胜等，“直叶垂直轴风力机气动特性研究进展”，Aerodynamica学报第35期6, pp. 368-382, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. 戴刚，徐志明，黄福康，杨军。钟，“垂直轴风力发电机的研究进展”，流体机械第38卷第2期10, pp. 39-43, 2010。视图:谷歌学者
3. 李勇，唐建军，田川，冯飞，“截顶式风力收集模式对风力发电机启动性能的影响”，东北农业大学学报，第47卷，第47期。4, pp. 95-101, 2016。视图:谷歌学者
4. Z.-C。吴,偏心转子结构垂直轴风力机气动特性研究，哈尔滨，东北农业大学，2017。
5. M. S. Hameed, S. K. Afaq，和F. Shahid，“复合VAWT叶片的有限元分析”，海洋工程，第109卷，第669-676页，2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. 王立国，西野涛，p . L.。Delafin和T. Bird，“基于有限元分析和遗传算法的垂直轴风力涡轮机复合叶片结构优化”，复合结构， 2016, vol. 153, pp. 123-138。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. T.-T。张,H.-X。王,Z.-B。代，“垂直轴风力发电机结构振动特性研究”，华东电力，第37卷，第2期3，第452-455页，2009。视图:谷歌学者
8. J.-Y。王,涡脱落对5kw h型垂直轴风力机影响的研究，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016年。
9. N. H. Abu-Hamdeh和K. H. Almitani，“可折叠垂直轴风力发电机的结构和数值分析”，能源转换与管理， 2017, vol. 151, pp. 400-413。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. 唐颖，吴艳华，孙军，宋恩伟，“风力发电提升平台桥梁结构的有限元分析，”，应用力学与材料， vol. 687-691, pp. 398-401, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. E. Verkinderen和B. Imam，“H-Darrieus垂直轴风力涡轮机(vawt)桅杆设计的简化动力学模型”，工程结构，第100卷，564-576页，2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. 李振宇，“基于动力传动系统仿真与模态分析的风电齿轮箱动力学研究”，先进材料的研究，卷。952，pp。161-164,2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. Paraschivoiu,以达瑞斯概念为重点的风力涡轮机设计，上海:上海科学技术出版社，2013，李超译。
14. 中州。朱镕基和Z.-H。刘志强，“具有升力叶和阻力叶的混合垂直轴风力发电机结构与性能分析”，华东电力，卷。36，不。7，pp。99-101,2008。视图:谷歌学者
15. 冯飞，李勇，田伟，“组合式垂直轴风力机气动特性的仿真与试验研究”，太阳能学报第35期5、pp. 855-860, 2014。视图:谷歌学者
16. 张齐兵。他,双层可伸缩叶片垂直轴风力机结构及气动特性计算研究，哈尔滨:东北农业大学，2015。
17. K. Niklas，“海上风力涡轮机大型支撑结构的强度分析”，波兰海事研究，卷。24，不。1，pp。156-165,2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. 肯尼迪。霁,Z.-Y。邓丽江与d.g.。黄，“5kW掩蔽升降垂直轴风力机的优化设计”，工程热物理学报第33卷第3期7, pp. 560-564, 2013。视图:谷歌学者
19. 寇伟，袁斌，李青，李立涛。一种立式轴式风力发电机的结构设计电气电子工程第27卷第2期5, pp. 25-28, 2011。视图:谷歌学者
20. z,杨绍明。关铭霍元庆，陈洪伟。杨,H.-F。谭，“新型组合式垂直轴风力机的优化设计与性能研究”，浙江工业大学学报号，第43卷。3，页261-264,2015。视图:谷歌学者
21. J.-J.曲，m. -w。徐，Z.-J.李和C. Zhi，“一种升降和拖曳混合轴风风力涡轮机”可再生能源资源第28卷第2期1，页101-104,2010。视图:谷歌学者
22. 孔坤，周学林，孟志。“风力机转子叶片结构模型分析与试验”，机电工程技术，第47卷，第47期。第5页，第45-48页，2018。视图:谷歌学者
23. GB/T 29494-2013小型垂直轴风力发电机[S]。
24. GB / T 13981-设计小型风力涡轮机的一般要求[S]。
25. X. Sun，Y. Chen，Y.Cao，G. Wu，Z. Zheng和D. Huang，“升降拖曳混合垂直轴风风力涡轮机的空气动力学特性研究”机械工程进展，第8卷，第2期1, 2016。视图:谷歌学者
26. X. Song和j . x。Dai，“水平轴向风力机塔架的力学建模与ANSYS仿真分析”，甘肃科学学报，第23卷，第2期。1, pp. 91-95, 2011。视图:谷歌学者

版权

版权所有©2018方锋等。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。