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探究水平轴潮流能水轮机复合材料叶片的自适应性

2020-07-03 175 上传者：管理员

摘要：叶片是水轮机中潮流能向机械能转化的核心部件,直接影响水轮机的水动力性能和结构性能。以水平轴潮流能水轮机复合材料叶片为例,基于复合材料弯扭耦合理论,采用双向流固耦合方法研究了叶片的自适应性。结果表明,采用对称铺层方式的复合材料叶片,可提高水轮机的能量利用率,并在较大的速比范围内使水轮机保持较高的效率;降低叶片上的应力集中,可改善结构性能;对称铺层可利用叶片的弯扭耦合特性,使叶片具备自适应性,从而提高水轮机的水动力性能和结构性能。

关键词：
双向流固耦合
复合材料叶片
弯扭耦合
水平轴潮流能水轮机
水能机械
自适应性
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1、引言

潮流能具备开发性高、可再生、清洁环保的特点而成为研究开发的重点。水轮机是潮流能利用技术的核心装置,其主要功能是将潮流所具有的动能转化为可被利用的电能。其中,水平轴水轮机因具备发电效率高、自启动性能好、机组输出功率稳定等特点而应用广泛[1]。叶片是水轮机中潮流能向机械能转化的核心部件,直接影响水轮机的水动力性能和结构性能。由于水下复杂的工作环境及水轮机日益大型化的发展要求,对水轮机叶片性能提出更高的要求,复合材料应用到叶片的设计中。对于复合材料叶片的设计,在结构发生弯曲变形时伴随着扭转变形的弯扭耦合现象成为研究的重点。近年来,关于该问题的研究有很多,但主要集中在弯扭耦合理论、风力机弯扭耦合叶片设计[2]、风力机弯扭耦合叶片的振动问题[3]及基于结构有限元的风力机叶片结构性能分析[4]方面,并取得了一系列的成果。但上述研究均集中在风力机叶片上,针对潮流能水轮机叶片的研究较少,且均采用基于单向流固耦合的结构有限元分析方法,该方法无法模拟弯扭耦合过程中叶片扭角的瞬时变化。为此,本文基于双向流固耦合方法,捕捉叶片发生弯扭耦合时流体域与结构域的动态交互过程,研究了发生弯扭耦合叶片的自适应及其对水轮机水动力性能和结构性能的影响。

2、数值方法

对于双向流固耦合,同时涉及到流体问题、固体问题和流固耦合交接问题。

2.1CFD控制方程

粘性流体的基本控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程。其方程式分别为:

公式1

公式2

式中,V为速度矢量,m/s;ρ为流体密度;t为时间;g为重力加速度;▽为哈密顿算子;p为压强;μ为粘性系数;▽2为拉普拉斯算子。

2.2ANSYS应力应变准则

等效应力σ定义为:

公式3

式中,σ1、σ2、σ3分别为结构的三个主应力,Pa。

最大位移Dt为:

公式4

式中,Dx、Dy、Dz分别为x、y、z三个方向的位移,m。

2.3流固耦合运动方程

结构—流体的系统运动方程为:

公式5

式中,r为位移向量,m;MS为结构的质量矩阵,kg;CS为结构的阻尼矩阵,N/(m·s-1);KS为结构的刚度矩阵,N·m2;q0为输入激励,kN;f0为除流固交接面上流体动力节点矢量外的其他外界激励矢量,kN;p为流体动压力矢量,Pa;A、B、E、H为系数矩阵。

3、计算模型及可靠性验证

3.1计算模型

为便于结果验证,本文计算模型参数参考英国南安普顿大学试验模型,采用三叶片转子结构,NACA638XX翼型叶片,半径0.4m,具体参数参考文献[5]。

3.2复合材料叶片建模

复合材料叶片的建模基于商业软件ANSYS的ACP模块。叶片以碳纤维和玻璃纤维为材料,采用空心叶片蒙皮架设腹板的结构(D型结构),按照对称铺层方法,以±20°铺设碳纤维,以±45°铺设玻璃纤维,将叶片不同区域敷设成多轴向经编结构,铺设方式见表1。

表1叶片铺层方式注:±45°和20°等角度代表铺层角度,角度右下角数字5代表设角度铺设五层,从左到右代表铺设的先后顺序。

3.3CFD模型

由于三叶片转子在旋转方向上叶片相互对称,为节省结算时间,在三维模型计算中,本文采用1/3计算模型。CFD计算模型见图1。计算中,采用ICEM-Structural网格,叶片表面网格采用局部加密,湍流模型采用SST模型,叶片壁面处的边界层设置取y+近似为1。进口、出口边界条件采用速度进口、压力出口,流场域边界为自由滑移边界,叶片、轮滚表面为无滑移边界,侧面为旋转周期边界,旋转域与静止域交界面为GGI连接方式。

图1CFD计算模型

3.4有限元模型

叶片与轮毂间接触设置均采用固结接触方式。由于本文不研究轮毂受力,故将轮毂视为刚性固定端,对叶片与轮毂相连部分进行圆柱面约束。水轮机在工作中受到来自自身重量的重力载荷作用,取g=9.8066m/s2。水轮机为旋转机械,需加载旋转角速度,所加载旋转角速度根据工况(不同速比)而定。除固定载荷和旋转加速度外,水轮机受来流作用,将CFX计算结果加载到结构模型。

3.5流固耦合模型

双向流固耦合计算基于商业软件ANSYS,采用CFX+ANSYS的方法,通过ANSYS内部多域求解器MFX实现流固耦合交接面的数据传递,即CFX-MFX-ANSYS的交互求解过程。执行求解命令以后,耦合模拟开始,ANSYS和CFX同时开始求解并通过MFX相互传递数据建立连接,经过多次同步,求解器收集双方数据,实现同步的耦合计算。

3.6计算可靠性验证

衡量水轮机水动力性能的主要参数是能量利用率Cp,叶尖速比λ是影响水轮机能量利用率的重要参数,其表达式分别为:

公式6

公式7

式中,ω为水轮机转速,rad/s;T为水轮机转矩,N·m;ρ为水的密度,1.02kg/m3;S为叶轮迎流面积,m2;vx为水流来流速度,m/s。

图2为采用单、双向流固耦合方法与文献[5]试验方法计算水轮机能量利用率对比。由图2可看出,单、双向流固耦合计算结果无明显区别,双向耦合的计算结果比单向略高,整体变化趋势一致;在速比低于7时,双向耦合的结果更接近试验值,在速比增大到一定值后,空化的发生导致试验值下降趋势明显,本文计算中并未考虑空化的发生,故高速比下,数值计算结果偏高。总体而言,较之单向耦合方法,双向耦合方法更接近试验值,能够模拟流体域与结构域的动态交互,更适合解决水弹性问题。

图2计算可靠性验证图

4、计算结果与分析

为了有效模拟弯扭耦合叶片与流场的动态交互过程,必须采用双向流固耦合的方法。分别对具有弯扭耦合效应的复合材料叶片水轮机和相同结构(D型)的Q235结构钢叶片水轮机进行双向流固耦合计算,分析叶片的弯扭耦合特性及其对水轮机水动力性能和结构性能影响。图中,ACP代表复合材料叶片水轮机,Q235代表结构钢叶片水轮机。考虑到试验模型叶片尺寸较小,为了有效捕捉叶片的弯扭耦合效应,本文计算模型被放大25倍,网格划分时保持y+不变,叶片半径定义为10m。

4.1弯扭耦合特性验证

图3为叶片变形云图。由图3可看出,叶片变形差别明显。对于结构钢叶片,沿叶片展长方向每个截面位置发生变形基本相同,此时叶片只发生了弯曲变形而未扭转变形;对于复合材料叶片,沿叶片展长方向同一截面的前缘和后缘变形量不同,出水边变形更大,此时叶片不仅发生了弯曲变形,同时存在扭转变形,扭转变形的发生导致了叶片同一截面的变形存在很大差别。由此证明,本文的建模方法可实现叶片的扭转变形,使叶片发生弯扭耦合效应。

图3叶片变形云图

图4为叶片各截面扭角变化曲线。由图4可看出,钢制叶片各截面扭角基本无变化,与钢制叶片变形云图一致;复合材料叶片的扭角从叶根到叶尖逐渐变大,但变大的趋势呈递减状态。

图4叶片各截面扭角变化曲线

为验证叶片弯扭耦合效应的自适应性,选取扭角值变化最大的叶尖位置截面,研究不同速比下叶片扭角的变化。图5为叶尖截面扭角随速比变化曲线。由图5可看出,随着速比的增大,扭角并非发生简单的单调递增,而是先增大后减小,呈现一种抛物线型,表明叶片扭角的变化并不会随推力的增大而增大,叶片的弯扭耦合效应存在自适应性。

图5叶尖截面扭角随速比变化曲线

4.2水动力性能分析

水轮机水动力性能主要靠能量利用率衡量,能量利用率计算结果见图6。由图6可看出,复合材料叶片水轮机能量利用率明显高于钢制叶片水轮机。不同速比下,能量利用率提高率不同,在最优速比6下能量利用率提高4.69%,随着速比增大,能量利用率提高率增大,最大速比9下,能量利用率提高15.43%。证明叶片发生弯扭耦合效应时,叶片各截面扭角的变化可以有效提高水轮机的水动力性能。此外,与钢制叶片水轮机相比,由于复合材料叶片的自适应性,复合材料叶片水轮机能在多种工况下保持较高的能量利用率。其中,在速比5~9的范围内,能量利用率均达40%以上,有效避免了高速比工况下水轮机的飞逸问题,从而保证了水轮机在水下复杂的工况也可保持相对稳定的输出。这对于实际生产设计具有较大的借鉴意义。

图6水动力性能对比

4.3结构性能分析

对于叶片的结构性能,主要分析叶片的应力分布及大小。图7为叶片应力分布云图。由图7可看出,由于叶片不同分块之间铺层的厚度不同,叶片均存在一定程度的应力集中,但两种叶片的应力分布并不相同,在叶片蒙皮不同铺层区域,钢结构叶片存在多处应力集中点,而复合材料叶片仅存在一处且应力集中程度比较低。两种叶片腹板的应力分布差别也比较大,结构钢叶片腹板的应力主要分布腹板与蒙皮接触的位置;而复合材料叶片腹板上的应力分布比较均匀,腹板上几乎不存在集中应力。

图7叶片应力分布云图

图8为叶片最大等效应力随速比变化曲线。由图8可看出,在不同速比下,复合材料叶片的最大等效应力明显小于结构钢叶片,且随着速比增大,结构钢叶片的最大等效应力继续增大,而复合材料叶片的最大等效应力趋于平稳,在最大速比9下,最大等效应力降低可达23.35%。由此可见,由于复合材料叶片的自适应性,最大等效应力值明显降低,叶片上的应力集中现象得到明显改善。

图8叶片最大等效应力随速比变化曲线

5、结论

a.基于双向流固耦合的数值模拟方法,可有效捕捉到复合材料叶片弯扭耦合效应时流体域和结构域的动态交互过程,较准确预测复合材料弯扭耦合叶片水轮机的水动力性能和结构性能。

b.通过对称铺层的方式,可有效实现复合材料叶片的弯扭耦合效应,且弯扭耦合效应使叶片具备自适应性。

c.具备弯扭耦合特性的自适应叶片可有效提高水轮机水动力性能。最优速比下水轮机的能量利用率提高了4.69%,且在较大的速比范围内,水轮机均可保持较高的能量利用率,有效避免了高速比工况下水轮机的飞逸,从而保证了水轮机在水下复杂的工况也可保持相对稳定的输出。

d.具备弯扭耦合特性的自适应叶片可有效提高水轮机叶片结构性能。叶片应力分布均匀,最大等效应力明显下降,且在高速比工况下效果更明显,最大等效应力的降低可有效保证水轮机在水下复杂的工况下结构的稳定性。

参考文献：

[1]戴庆忠.潮流能发电及潮流能发电装置[J].东方电机,2010,38(2):51-66.

[2]刘旺玉,龚佳兴,刘希凤,等.基于弯扭耦合的自适应风力机叶片设计[J].太阳能学报,2011,32(7):1014-1019.

[3]杨建刚,高亹.大型旋转机械叶片-轴弯扭耦合振动问题的研究[J].动力工程学报,2003,23(4):2569-2573.

房良,刘迪,张学伟,连建鲁,耿保阳.水平轴潮流能水轮机复合材料叶片自适应性研究[J].水电能源科学,2017,35(09):150-153+181.

基金:国家自然科学基金项目(51106034)