3D打印風力發(fā)電葉片，可提高發(fā)電效率

隨著世界性能源危機日益加劇和全球環(huán)境污染日益嚴重,推進新能源與可再生能源的開發(fā)利用已是大勢所趨。風能作為一種清潔的可再生能源,已成為世界各國的新能源發(fā)展的重要方向。 葉片作為風力機的關鍵部件,其良好的設計、可靠的質量和優(yōu)越的性能保證了機組的正常運行,也決定了風機的發(fā)電性能和功率。

葉片的設計與制造是風力機組的核心技術,不僅要求葉片具有高效的專用翼型,即合理的安裝角、升阻比、葉尖速比和葉片扭角分布等,又需通過復合工藝與材料保證其質量輕、結構強度高、抗疲勞等方面的要求。 一方面,由于空氣動力的復雜性,葉片外形的精確設計非常困難。傳統(tǒng)的水平軸風力機多采用正向設計,即先設計并完善葉片的幾何外形結構直到滿足相應的氣動性能要求。但是正向設計要面臨很多問題,比如確定所需的氣動特性沿葉展的分布,所需的轉子特性不能確定等。

采用逆向設計則能克服正向設計的不足,通過三維建模與原始的葉片實體模型進行比對,實現葉片的設計驗證,還可以縮短設計周期和降低制造成本。另一方面,葉片的制造工藝也經歷了從手糊成型到真空灌注成型、從開模成型到閉模成型的過程。外形簡單的小型葉片通常采 用模壓成型的方法,但以低成本方式難以制造包含復雜幾何形狀以及多種材質的葉片,成為葉片制造行業(yè)的發(fā)展瓶頸。而3D打印技術具有生產周期短、制造材料豐富、可制造復雜形狀模型等特點,在工業(yè)上得到了廣泛應用。因此,本文提出了一種風電葉片的由逆向三維建模、輔助以有限元分析修正、最終3D打印實現的系統(tǒng)性高效制造方法。

1制造方法與設計分析

1.1制造流程
風電葉片3D打印系統(tǒng)性高效制造流程如圖1所示。首先,三維激光掃描機對目標葉片進行逆向掃描,獲得三維模型并取得特征參數;然后通過有限元仿真,分析在特定載荷環(huán)境中葉片的失效情況,從而進行特征參數的修正,使其滿足使用要求;最終,優(yōu)化的幾何模型通過3D打印技術制造成為實體。

1.2逆向測量
本文使用的風力電機葉片原型為美國SWWP公司的AirBreeze葉片,具體參數見表1。 使用的儀器為德國Breukmann的三維激光掃描儀,獲取葉片型面的原始精準數據,考慮葉片的邊緣特征提取,對葉片進行了貼標記點的處理,如圖2所
示。

1.3靜力與屈曲穩(wěn)定性分析
由于有限元法在制造前可預先發(fā)現潛在的問題,可通過模擬各種實驗方案來減少時間和成本,所以,將有限元法與逆向設計結合,通過對葉片的應力、變形、疲勞等參數的分析,能即時對葉片結構細節(jié)進行修正。 用有限元進行靜力分析時,其理論基礎是變分原理,常見的是最小勢能原理與最小余能原理。

對于最小勢能原理,須假設單元內位移場函數的形式存在 E=U−W (1) 式中:E為勢能;U為彈性應變能;W為外力勢能。 當對象被離散成很多單元和節(jié)點之后,各節(jié)點位移構成位移列陣δ,泛函E可寫成各單元泛函之 和,E=󰀁 Ei。Ei取決于δi,不同的節(jié)點位移列陣使E值不同,則有 E=E(δ)=E(u1,u2,···
,uN)(2) 式中,ui(i=1,2,···,N)為泛指位移。

根據該條件和E得到N階代數方程組,求解后得δ。 屈曲穩(wěn)定性分析是指在結構的線性剛度矩陣中引入微分剛度的影響,而微分剛度由應變-位移關系式中的高階項導出。設結構線性剛度矩陣為Ka,考 慮應變-位移的高階非線性微分剛度矩陣為Kd,一般存在有 Ka=PaKd (3) 式中,Pa代表所施加載荷。對于特定Pa,稱為臨界屈曲載荷Pcr, λ= PcriP (4) λ為屈曲因子,P為外載荷,所求屈曲臨界載荷為Pcr=min(λi)Pa,當其λ<1時,結構失穩(wěn),此時對應外載荷為失穩(wěn)載荷。

1.43D打印制造
逆向掃描獲得的葉片三維模型需要轉換為3D 打印中的.STL文件格式,經過處理后,導入3D打印機完成實體制造。考慮到實驗室設備及葉片結構特性,采用熔融沉積成形(FusedDepositionModeling,FDM)工藝進行制作。

FDM工藝選用設備為國內Tiertime公司的InspireD2903D打印機,由于工作臺X-Y平面成形尺寸為255mm×290mm,葉片總長為550mm,所以將尺寸縮小為原始的1/2。考慮葉片外形與支撐去除影響因素,擺放時將葉片沿邊緣豎立擺放,分層厚度設置為0.1mm,材料為ABSB501絲材,其主要力學性能參數為:彈性模量2×103MPa,抗剪模量318.9MPa,質量密度1.02×103kg/m3,張力強度30MPa。

2結果評價
2.1三維模型獲得
葉片逆向掃描獲取的點云數據如圖3所示。

圖3葉片的點云數據 Fig.3Pointclouddataoftheblade 由于測量時難免存在誤差,特別是在葉片邊緣與葉型截面線進氣邊等曲率變化劇烈的部位獲得的數據會不可靠,故要對點云數據進行預處理并篩選出異常數據。

通常數據預處理的原則是:
(1)葉身曲線至少保持導矢連續(xù),保證曲線光順度良好,避免出現尖點;
(2)葉面曲線上不允許出現多余的拐點,防止出現局部的突起與凹陷;
(3)曲率變化均勻,避免出現顯著的膨癟現象。

對數據進行修復:①彌補邊緣缺損的壞面與洞;
②刪除重復的面片,通過平滑與減少噪聲,最終補償測量誤差帶來的影響,提高模型重建的質量。
考慮到葉片根部螺紋孔的特征,在掃描時難以獲取,因此,對螺紋孔進行后期的修復處理,最終獲得葉片的三維數據模型。

2.2靜力分析與屈曲模態(tài)云圖
利用有限元分析可以獲得葉片在極限揮舞彎矩下的靜力分析結果,如圖4所示。從葉片的整體應力來看,葉片最大位移發(fā)生在葉尖處,葉根處變形位移最小;而從整體應力看,葉根是葉片的主要承力部位。 根據葉片的整體穩(wěn)定性分析,可以得到不同階的屈曲模態(tài)分析圖,圖5所示為二階屈曲模態(tài)。說明 該工況下葉片不會發(fā)生屈曲,而且隨著載荷的增加,當達到或超過屈曲載荷時,葉片會發(fā)生局部屈曲,主要位置位于葉片最大弦長截面區(qū)域后緣處及靠近葉尖位置的后緣處。

2.3制作的葉片
采用FDM工藝制作完成葉片樣件后,去除支撐材料并進行打磨、拋光等后處理,獲得的葉片如圖6所示。 通過測量,獲得樣件的平均尺寸精度約為0.16mm/100mm,葉片原型的原定尺寸精度為±0.18mm/100mm,因此,樣件精度在誤差范圍內,符合制作要求。

對比材料特性及成形工藝,原始風力機葉片材質為尼龍纖維,其主要機械性能參數均優(yōu)于FDM工藝方法所用的ABS材料。因此,為了能夠直接3D打印出滿足使用要求的產品,還須對FDM的絲材材質進行改變或進行復合工藝添加增強相。

3結論

本文將逆向工程、有限元分析、3D打印三者有機結合,形成了高效系統(tǒng)性的風電葉片制造方法;就風力發(fā)電葉片的三維建模、失效判定、制造流程的具體環(huán)節(jié)進行了詳細闡述。實驗證明,這一系統(tǒng)的 方法切實可行,對葉片的即時優(yōu)化和快速生產有很好的參考價值。 同時,本文研究還存在一些問題需要進一步深入研究。
(1)本文主要就該系統(tǒng)性制造方法進行了具體的實驗,而在葉片幾何特征的提取和修正方面只是給出了初步的功能架構,具體的實現需要進一步的研究。
(2)葉片的強度除了由結構保障外,很大程度上與所使用的材料相關。雖然3D打印工藝受材料、尺寸精度等條件制約,卻可以很方便地同纖維鋪設或沉積工藝進行復合,從而實現復合材料構件的制造,這也是今后的研究重點。

編輯：南極熊
作者：吳鏑,劉賽,楊國策,高琪 (上海第二工業(yè)大學工程訓練中心)