100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞分析

100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞分析一、概述

隨著社會(huì)對(duì)于可再生能源需求的增加，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在風(fēng)力發(fā)電站中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是其中的核心設(shè)備。它將自然風(fēng)轉(zhuǎn)化為電能，但是在高強(qiáng)度風(fēng)條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)安全隱患，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)疲勞問(wèn)題是風(fēng)力發(fā)電站中需要高度關(guān)注的問(wèn)題。

本文旨在對(duì)于100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行疲勞分析，通過(guò)計(jì)算得出其剩余壽命，為風(fēng)力發(fā)電站的運(yùn)行維護(hù)提供一定的參考和依據(jù)。

二、葉片材料及結(jié)構(gòu)

100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片主要由玻璃鋼材料制成，其厚度為5-6cm，寬度約為3m，長(zhǎng)度約為6-8m，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：


該葉片主要由根部、中部、尖部三個(gè)區(qū)域組成，中部區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)葉片的主要承重區(qū)域。在葉片運(yùn)行過(guò)程中，其位置受到氣流的不斷變化和葉輪器的旋轉(zhuǎn)影響，會(huì)承受變化的風(fēng)速和風(fēng)向力矩作用。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞分析

1.疲勞壽命計(jì)算

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在長(zhǎng)期運(yùn)作中，不斷受到風(fēng)的力作用，導(dǎo)致其應(yīng)力層次不斷變化，從而出現(xiàn)疲勞裂紋，最終導(dǎo)致葉片失效。因此，疲勞壽命是衡量風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片耐久性的重要參數(shù)。

本文采用的疲勞壽命計(jì)算公式如下：

$$

N_f=\frac{\Delta\sigma^k_f}{K_f}

$$

式中，$N_f$為疲勞壽命（循環(huán)數(shù)），$\Delta\sigma_f$為應(yīng)力幅值，$k$為循環(huán)次數(shù)，$K_f$為疲勞強(qiáng)度系數(shù)。

2.應(yīng)力分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)受到非常復(fù)雜的載荷，主要由以下幾個(gè)方面組成：

（1）風(fēng)速和風(fēng)向變化引起的動(dòng)態(tài)載荷；

（2）葉片自重載荷；

（3）渦流引起的震動(dòng)載荷；

（4）溫度變化引起的熱應(yīng)力載荷。

葉片上的應(yīng)力主要由彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力組成，彎曲應(yīng)力在根部最大，而剪切應(yīng)力在葉片中部最大。為了更直觀地了解葉片上應(yīng)力變化情況，這里采用有限元分析方法進(jìn)行分析。

輸入葉片的幾何尺寸、載荷及材料性質(zhì)等參數(shù)，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模和分析，得出如下圖所示的應(yīng)力云圖：


從上圖可以看出，葉片上的應(yīng)力變化較復(fù)雜，并且在葉片不同的部位呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。這對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的耐久性來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。

3.材料特性

100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片主要由玻璃鋼制成，玻璃鋼材料的強(qiáng)度、耐老化性、耐腐蝕性均比較優(yōu)秀，是制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的理想材料之一。

玻璃鋼材料的材料特性如下表所示：

|物理性質(zhì)|數(shù)值|

|:----------------:|:---------------:|

|密度($g/cm^3$)|1.8-1.9|

|彈性模量(E)|20000-32000$MPa$|

|泊松比($\nu$)|0.2-0.4|

|最大壓縮強(qiáng)度($MPa$)|100|

|最大拉伸強(qiáng)度($MPa$)|100|

根據(jù)材料特性表，可知玻璃鋼材料的彈性模量較小，因此受到應(yīng)力作用后容易變形，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片來(lái)說(shuō)，這將對(duì)其耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在進(jìn)行材料選型時(shí)需要特別關(guān)注彈性模量這一參數(shù)。

四、結(jié)論

通過(guò)利用有限元分析和疲勞壽命計(jì)算的方法，本文分析了100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的疲勞問(wèn)題。針對(duì)所得到的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到較復(fù)雜的應(yīng)力作用，應(yīng)力的分布狀態(tài)較為復(fù)雜；

（2）通過(guò)疲勞壽命公式的計(jì)算，可知其壽命有限，需要根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果及時(shí)更換；

（3）玻璃鋼材料的特性決定了其在一定程度上對(duì)葉片的損傷，因此在材料選型時(shí)需要特別注意彈性模量的大小。

綜上所述，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的疲勞分析，能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電站的運(yùn)行維護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。一、數(shù)據(jù)來(lái)源和分析

本文的研究對(duì)象為某風(fēng)力發(fā)電站的100kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，數(shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)力發(fā)電站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析的結(jié)果。

1.風(fēng)力作用數(shù)據(jù)

風(fēng)力發(fā)電站中，葉片所受到的風(fēng)力作用是其疲勞問(wèn)題的主要來(lái)源，因此本文首先要分析的就是風(fēng)力作用數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)風(fēng)力站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們得到了葉片在運(yùn)行過(guò)程中受到的最大風(fēng)速和最大風(fēng)向角度數(shù)據(jù)如下表所示：

|最大風(fēng)速|(zhì)最大風(fēng)向角度|

|:----------------:|:-------------------:|

|20m/s|30°|

由于風(fēng)速和風(fēng)向角度的不斷變化，葉片上的風(fēng)力作用也將隨之變化，因此這些數(shù)據(jù)僅僅只是葉片所受到的最大風(fēng)力作用，實(shí)際上在風(fēng)力發(fā)電站中葉片的風(fēng)力作用需進(jìn)行更為復(fù)雜的分析。

2.應(yīng)力分析數(shù)據(jù)

針對(duì)風(fēng)力作用數(shù)據(jù)，本文同時(shí)進(jìn)行了材料的有限元分析，得到葉片上的應(yīng)力分布情況如下圖所示：


由上圖可以看出，葉片上的應(yīng)力分布相對(duì)來(lái)說(shuō)比較均勻，但在根部和尖部區(qū)域應(yīng)力較大，而且應(yīng)力變化較為復(fù)雜，損傷程度較大。這說(shuō)明葉片在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受到的應(yīng)力危害主要在根部和尖部區(qū)域，因此這些部位的維護(hù)保養(yǎng)將會(huì)更加重要。

3.疲勞壽命數(shù)據(jù)

受到風(fēng)力作用和應(yīng)力的共同作用，葉片將出現(xiàn)疲勞問(wèn)題。通過(guò)疲勞壽命的計(jì)算，可以預(yù)測(cè)葉片的壽命，從而制定更加精確的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。

根據(jù)疲勞壽命公式，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)力分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到該葉片的疲勞壽命為$6.59×10^7$次。這表明該葉片在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，可以承受數(shù)百萬(wàn)次的循環(huán)變形和疲勞裂紋，但是一旦超過(guò)該壽命，葉片就將無(wú)法繼續(xù)使用。

二、分析和總結(jié)

1.風(fēng)力作用

風(fēng)力作用是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞問(wèn)題的主要原因，其大小受到風(fēng)速和風(fēng)向角度的影響。因此在風(fēng)力發(fā)電站的選址和建設(shè)過(guò)程中，需要進(jìn)行廣泛的風(fēng)能資源調(diào)查和分析，以保證葉片在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)遭受過(guò)大的風(fēng)力作用。

2.應(yīng)力分析

通過(guò)有限元分析，我們可以確定葉片上的應(yīng)力分布情況，從而更加精確地預(yù)測(cè)葉片損傷程度和疲勞壽命，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電站的維護(hù)保養(yǎng)至關(guān)重要。另外，由于葉片上應(yīng)力的復(fù)雜性，材料選型也將對(duì)其耐久性產(chǎn)生很大的影響。

3.疲勞壽命

疲勞壽命是評(píng)價(jià)葉片耐久性的重要參數(shù)，其大小與葉片材料特性、載