Optimasi Desain, Pemodelan dan Analisis Dinamis untuk Composite Turbin angin Pisau

Optimasi Desain, Pemodelan dan Analisis Dinamis untuk Composite Turbin angin Pisau

1. Perkenalan

Untuk menghitung faktor diinduksi aksial dan melingkar sudu turbin angin, yang sangat penting dalam desain kontur aerodinamis. Bentuk ruang pisau kompleks; di samping itu, kinerja tinggi pisau turbin angin saat ini terbuat dari serat kaca atau lapisan struktur komposit serat karbon, sehingga bagaimana model pisau tepat sehingga untuk menggambarkan struktur lapisan menjadi masalah yang sulit, yang juga penting dalam analisis mekanik  memperkenalkan teori dasar turbin angin. Makalah  belajar desain dan pemodelan pisau turbin angin, dengan menggunakan MATLAB untuk memecahkan koordinat tiga dimensi dari setiap bagian pisau, kemudian diadopsi Pro / E untuk membangun model solid. menggunakan metode elemen hingga untuk analisis kekuatan statis pisau dengan diskritisasi shell elemen di atas kulit dan tiga dimensi elemen 'Sandwich' untuk mensimulasikan web spar.

2. desain Optimasi kontur aerodinamis

Mengacu pada data 20kW pisau yang disediakan oleh perusahaan turbin angin, parameter pisau diberikan sebagai berikut: dinilai daya P = 20kW, V = 10 m / s, diameter rotor desain kecepatan angin D = 10m, jumlah blade B = 3. Menurut kecepatan ujung rentang rasio turbin angin berkecepatan tinggi, λ = 7,5 terpilih. airfoil adalah NACA 63415. dipilih sebagai sudut serang optimum sesuai dengan data desain, dengan koefisien lift yang sesuai C_l 0,72 hambatan koefisien C_d 0,006.

2.1. Perhitungan optimasi untuk panjang blade elemen chord C dan memutar sudut θ

optimasi desain untuk bentuk rentang-bijaksana blade turbin angin untuk mendapatkan energi angin koefisien pemanfaatan maksimal menggunakan beberapa metode perhitungan. Metode-metode Wilson canggih diadopsi dalam makalah ini, yang didasarkan pada pisau Element - Teori Momentum. pisau ini dibagi menjadi sejumlah elemen pisau sepanjang bentang. Chord panjang dan memutar sudut setiap elemen blade harus dihitung sehingga membuat energi angin faktor pemanfaatan setiap blade elemen dC_p d maksimal. Model optimasi adalah  sebagai berikut:

dCp

8

3

min

b(a  1)F

d

2

s.t.

a(1  aF)  b(1  a) 2

2

f

Farccos(e

)

B

R  r

f   2 R sin

tan

1  a 1

1  b

Sudut memutar setiap elemen pisau dapat itentukan sebagai :

Panjang chord dari setiap elemen blade dihitung sebagai:

BCCl

8 bF cos

r

1  b

Dimana,

C _p angin koefisien pemanfaatan energi; adalah rasio blade elemen tip kecepatan; a adalah faktor diinduksi aksial; b adalah faktor diinduksi melingkar; F adalah koefisien kehilangan tip; f adalah variabel antara; R adalah jari-jari rotor; r adalah jarak antara pisau elemen penampang ke pusat rotor; adalah sudut aliran mendekat; C_l adalah pisau koefisien airfoil angkat; C adalah pisau panjang elemen chord; adalah elemen blade angle sentuhan;
dan  20kW pisau dibagi menjadi dua puluh elemen pisau sepanjang bentang dari 0.15R ke R. Setiap rasio kecepatan ujung pisau elemen dihitung sebagai _i 0^r_i / R. The non-linear dibatasi optimalisasi fungsi 'Bantuan fmincon' di MATLAB diaplikasikan pada pisau elemen panjang chord dan memutar sudut optimasi perhitungan berulang. Tiga file M diciptakan dalam pemrograman, salah satunya adalah file utama bernama 'Main.m', dua file lain file kendala bernama 'confun.m' dan file target bernama 'object.m'. File utama memanggil dua file lainnya. Gambar 1 menunjukkan proses perhitungan:

mendefinisikan variabel

 

Mengeksekusi main.m, menghitung, b iteratif dengan fungsi bantuan fmincon

Untuk i = 1: n menghitung λi, ri

Menetapkan awal nilai = ei, b = bi

 

NEXT i

		Hitung nilai-nilai φ, θ, C dan output

 

                                         

Ara. 1. MATLAB diagram alir perhitungan optimasi

2.2. panjang chord dan revisi sudut sentuhan

nilai-nilai yang dihitung dari panjang chord dan sudut sentuhan pada akar blade sering terlalu besar .Ini adalah perlu untuk mengubah mereka bertujuan mudah modeling dan hemat bahan untuk pembuatan. Data dari unsur-unsur pisau dari R = 1.5m untuk R = 4.91m dipilih untuk dipasang sepanjang bentang menggunakan polinomial quartic dengan kurva fitting fungsi polifit (r, C, 4) di bawah MATLAB. nilai-nilai revisi panjang dan berliku-liku chord sudut diperoleh dengan menggantikan radius akar pisau dengan fungsi 'polyval'. Gambar 2 menunjukkan distribusi panjang chord dan sudut memutar sepanjang rentang pisau seluruh.











Ara. 2. (a) Distribusi panjang chord sepanjang rentang-bijaksana pisau; (B) Distribusi sudut sentuhan sepanjang blade rentang-bijaksana

3. Perhitungan ruang koordinat untuk setiap elemen blade

Koordinat titik diskrit pada setiap blade penampang yang dihitung dengan transformasi koordinat berdasarkan koordinat dua dimensi dari airfoil poin asli (X₀, Y₀), yang dapat diperoleh dari Profili atau naca software langsung. 2-D sistem koordinat mengambil tepi tailing sebagai asal, pisau chord arah sebagai sumbu x, sedangkan ruang sistem koordinat mengambil pesawat elemen r = 0 pisau sebagai pesawat XOY dan pusat aerodinamis sebagai asal. Z-axis maju adalah sepanjang rentang-bijaksana pisau. Misalkan referensi panjang chord sebagai C₀ (yang 100 unit dalam makalah ini). Jarak dari pusat aerodinamis untuk trailing edge dari airfoil dianggap sebagai C₀ / 3. Proses transformasi koordinat adalah sebagai berikut:

Dua-dimensi koordinat terjemahan:

1

X 1X 0

3 C0

Y1

Y0

Tiga-dimensi transformasi koordinat:

ketika X<0,

cos(arctan Y1)

XC

X

2    Y 2

100

1

1

X1

C

Y1

2

2

sin(arctan

)

Y

100

X1

Y1

X1

Z  r

ketikaX>0,

X

C

X 2

Y 2

cos(arctan Y1

)

100

1

1

X1

C

Y1

2

2

sin(arctan

)

Y

100

X1

Y1

X1

Z   r

Proses di atas dapat dihitung dengan EXCEL atau MATLAB. Akar pisau disederhanakan untuk silinder sesuai dengan instalasi yang sebenarnya, sehingga bagian elemen blade harus disederhanakan untuk sejumlah kalangan, jari-jari dari yang ditentukan sesuai dengan ukuran roda. Data yang dihitung koordinat semua titik harus disimpan dalam format txt. Gambar 3 menunjukkan grafik penampang sekitar dua elemen pisau setelah transformasi koordinat.

Ara. 3. Cross-bagian grafik elemen blade

4. Tiga dimensi pisau pemodelan permukaan

Perangkat lunak SolidWorks digunakan untuk melaksanakan pemodelan permukaan 3-D pisau. Kurva dari setiap elemen pisau diciptakan oleh data dihitung koordinat titik diskrit di atas; kemudian, seluruh permukaan pisau itu dihasilkan melalui lofting. Setiap kurva pisau elemen dapat secara otomatis dihasilkan dengan memilih file txt dari data koordinat meskipun langkah dari 'insert' - 'kurva' - 'kurva melalui XYZ poin'. pisau itu dibagi menjadi beberapa bagian sesuai dengan cara yang berbeda dari layering. segmental menyapu permukaan kulit ini pisau diciptakan dengan memilih titik puncak berurutan kurva, menggunakan rangka 'lofting permukaan'. Akhirnya membuat pisau disambung menjadi satu. Dikombinasikan dengan data lingkaran pada akar, model permukaan tiga dimensi seluruh pisau itu berhasil dibuat (misalnya Gambar. 4 (a)). Model ini disimpan sebagai bentuk x_t, sehingga untuk bertukar data dengan perangkat lunak ANSYS mudah.

5. Dinamis analisis elemen hingga pisau

Dinamis analisis elemen hingga pisau terutama mengacu pada analisis getaran modal menggunakan teori elemen hingga. analisis modal digunakan untuk mengidentifikasi frekuensi alami, terutama frekuensi-order rendah dan mode getaran dari pisau turbin angin. Dari modal yang kita bisa belajar di mana rentang frekuensi pisau akan lebih sensitif terhadap bergetar. Blades harus dirancang untuk menghindari wilayah resonansi dengan menara dan komponen lainnya untuk mencegah beberapa kerusakan komponen terkait. Dalam tulisan ini, model terbatas pisau telah didirikan di ANSYS dengan mengimpor model permukaan pisau dibuat sebelumnya dikombinasikan dengan struktur lapisan sebenarnya dari pisau 20kW yang ada. analisis modal dilakukan untuk memeriksa apakah sifat mekanik pisau memenuhi persyaratan keamanan tertentu.

5.1. pemodelan elemen hingga

Kontur dan lintas-bagian dari pisau yang sangat kompleks, jika model yang tepat didirikan pada SolidWorks, informasi model rawan hilang di ANSYS ketika mengimpor format menengah. Untuk mengatasi masalah ini, metode menggabungkan dua jenis perangkat lunak untuk membangun model pisau diusulkan dalam makalah ini. Pemodelan struktur web spar ditambahkan mengambil keuntungan dari pemodelan cara ANSYS bottom-top.

File x_t diimpor ke ANSYS. Akurasi model yang harus dipastikan. pisau itu dibagi menjadi enam segmen setelah mengimpor sehingga web itu juga terdiri dari enam pesawat untuk kenyamanan pemodelan. poin kunci dari setiap permukaan pesawat web pertama kali dibuat. Setelah itu, kurva tepi yang dihasilkan dengan menghubungkan titik-titik ini menggunakan rangka yang dihamparkan di Lokasi '. Kemudian permukaan bidang web dibentuk dengan menghubungkan kurva yang sesuai. Akhirnya model geometris seluruh pisau didirikan atas perintah 'Lem' untuk membuat semua permukaan tetap bersama-sama (misalnya Gambar. 4 (b)).

Ara. 4. (a) pisau model permukaan 3-D dibuat dalam SolidWorks; (B) Model pisau dengan struktur web didirikan pada ANSYS

Unit shell shell 99 dipilih untuk mensimulasikan struktur lapisan komposit dari permukaan pisau. Sepuluh konstanta nyata diciptakan untuk menentukan bahan, sudut dan ketebalan kulit blade dan lapisan web spar. itu sifat material yang kurang didefinisikan sebagai orthotropic, seperti pisau terbuat dari bahan komposit fiber glass. Jumlah material dan sifat didefinisikan oleh menu Model Material. Konstanta nyata yang sesuai didistribusikan ke setiap bagian dari pisau dan jaringan yang sesuai ukuran yang telah ditetapkan. Semua daerah yang menyatu dengan MASHTOOL di jalan gratis Mesh. Model FEM yang dibuat dari pisau terdiri dari 1634 elemen, 3715 node (Fig.5 (a)). Gambar 5 (b) menunjukkan atribut laminasi dari satu elemen yang dipilih.

Ara. 5. (a) Model FEM pisau; (B) atribut laminasi dari satu elemen

5.2. analisis modal pisau

Ada banyak cara untuk analisis ANSYS modal, yang metode Blok Lanczos paling banyak digunakan karena fitur canggih. Selain itu, sering diterapkan dengan model unit padat atau unit shell [8], itu sebabnya makalah ini memilih Blok Lanczos untuk melakukan analisis modal. Modus getaran dari enam perintah pertama diekstraksi dengan rentang frekuensi 0 ~ 9999Hz. Koneksi pisau dan hub bisa dianggap sebagai tetap, sehingga hanya perlu membatasi semua DOFs akar, untuk analisis modal tidak memerlukan banyak menerapkan. Akhirnya, setelah memecahkan dengan solver, mode getaran semua perintah (Gambar. 6) dan hasil dari frekuensi (Tabel 1) dapat diamati di pos-prosesor.

Ara. 6. enam mode getaran pertama pisau

Tabel 1. Frekuensi dari enam perintah pertama

perintah modus 1 2 3 4 5 6
Frekuensi 5,6309 13,696 19,417 41,257 58,805 68,704

Dalam kondisi yang dirancang dengan kecepatan angin V = 10m/s, kecepatan ujung pisau V_{tip 0} V 7.5 10 75m / s. Frekuensi bersemangat rotor berputar dengan tiga bilah dihitung sebagai:

f   ^{3        3  755}  7.16Hz Dibandingkan dengan meja 1, itu jelas untuk melihat bahwa

                                                                              

2         2

frekuensi alami pertama adalah jauh dari frekuensi bersemangat eksterior. Oleh Karena itu, tidak ada resonansi akan terjadi ketika pisau berjalan pada Kecepatan angin rated.

6. Kesimpulan

Makalah ini diterapkan pemrograman MATLAB untuk mewujudkan desain optimasi kontur aerodinamis blade turbin angin. Cara menggabungkan SolidWorks dan ANSYS diadopsi untuk membangun model pisau sehingga dapat menggambarkan bentuk dan lapisan sebenarnya struktur pisau komposit tepat. Kinerja dinamis pisau diperiksa dengan analisis modal, menyediakan referensi untuk desain struktur dan analisis lainnya.


Ucapan Terima Kasih

Penelitian ini didukung oleh dana proyek dari Tongxiang Sains dan Teknologi Departemen. Para penulis berterima kasih kepada Universitas Zhejiang dan MaxWind Teknologi Perusahaan untuk dukungan besar untuk penelitian ini

Referensi

1.      Haichen Lin. The Finite Element Analysis of Wind Turbine Blade. Journal of Mianyang Normal University, 2007, Vol. 26, No.8, pp. 43-47.

2.      Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi. Wind Energy Handbook. John Wiley&Sons Ltd, 2001.

                    

3.      Huifang Tian, Qinqin Zeng, Chao Huang. The Design and Modeling of Wind Turbine Blade. Machinery, 2009, Vol.47, No.3, pp.6-8.

4.      Guoning Li, Fuzeng Yang, Baishi Du et al. Design and Modelling of Wind Wheel of Wind Mill Based on MATLAB and Pro/E, Machine Design, 2009, Vol. 26, No.6, pp. 3-7.

5.      C. Kong, J. Bang. Structural investigation of composite wind turbine blade considering various load cages and fatigue life. Energy, 2005, Vol. 30, No.11, pp.2101-2114.

6.      Xueyong Wang. Design and Three-dimension Modeling of Wind Turbine Blade.Guangxi University, 2006.

7.      Moran Wang, MATLAB 6.0 and Scientific Computing. Electronic Industry Press, Beijing: 2002.

8.      Qingwu Wang, Fang Zuo, Renxi Hu et al. ANSYS 10.0 Senior Mechanical Design Application. Beijing: Machinery Industry Press, 2006.

.