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基于Creo Parametric的风机叶片建模方法研究

2018/1/29    来源:互联网    作者:杨剑宇      
关键字:Creo Parametric  叶片建模  力学性能分析  
由于风机叶片在三维软件中直接建模的复杂度,探讨了一种较快捷创建风机叶片的建模方法。利用NACA软件生成叶片翼型截面离散点坐标,并将结果导入Creo Parametric软件。通过混合等命令,将多段翼型截面曲线生成光滑的叶片曲面模型,并对生成的实体表面进行了曲面分析与检查。最后利用Flow Simulation等软件,对叶片进行了流体仿真及模态分析,得出了叶片压力最大值在叶片的设计承受范围内,且叶片一阶固有频率远大于风机转动时的频率,叶片发生共振的可能性很小的结论,很好的证明了叶片建模方法的可行性和实用性。通过这种建模方法,将很大程度减少叶片在设计时的工作强度与难度,提高设计人员的设计效率。

0 引言

    风能是一种清洁能源,具有取之不尽用之不竭的特点。在人类历史中,对风能的利用可以追溯到很早以前,它与常规的化石能源相比,价格低廉,并且不会对周围的环境造成破坏和负担,具有许多独到的优势。而且它的发展前景非常广阔,因此世界各个国家都提高了对风能利用的重视程度。风力发电机就是一种利用风能的装置,它通过风机叶片捕捉风能,并将风能间接的转换为电能。在叶片设计中,叶片的三维建模具有很重要的地位,因为它是将理论的设计参数转化为实体过程中的重要一环,为后期的有限元分析虚拟装配等工作提供了一种最便捷的途径。因此,叶片三维建模质量的好坏,将会影响风机整体的品质。

    另外,目前关于叶片三维建模方法研究的文献相对较少。文献将叶片离散后再进行组装的方法操作相对复杂;文献仅仅提供了叶片的外型线框建模方法;文献虽然能够完成叶片截面的拟合,但是需要采集大量的离散点云数据,工作效率较低。这些方法缺乏普适性,随着各类建模软件的大量使用,叶片建模方法的研究应该成为风机研究的重点之一。

    当前,在三维建模方面,Creo Parametric软件因它的强大功能得到了业界的广泛认可。CreoParametric软件可以处理复杂的曲面设计,创建精确的几何图形,并且它基于特征建模和参数化设计,拥有友好的用户界面和便捷的操作,提高了产品设计中三维建模的工作效率。文章通过利用Creo Parametric平台强大的建模功能,对风机叶片进行了建模的方法研究。

1 叶片翼型参数确定

    风机叶片的参数众多,其中威尔逊优化设计方法主要是基于叶片特征参数中的弦长和安装角的优化。另外,这些参数也是建模过程中不可缺少的重要数据,它们将会对风机的工作效率和安全可靠性等诸多方面造成直接的影响。

    1)叶片直径的确定

    风机叶片直径D可由公式(1)确定:

    1

    2)叶尖速比的确定

    风机叶尖速比λ是叶片叶尖的速度与设计风速的比值,并和风机的效率有关。通常风机在较高叶尖速比下工作时,具有较高的风能利用率。

    2

    3)翼型的确定

    对风机来说,风机的风能转换效率很大程度上会受到风机翼型选取的影响。通常现代高速风机都选取流线型的叶片。由于NACA翼型具有阻力小、空气动力效率高和雷诺数大的特点,翼型通常会从NACA航空翼型系列中选取。如NACA44系列和NACA230系列,具有最大升力系数高、最小阻力系数低等特点。本文在翼型截面建模时选用NACA 4415翼型,如图1所示。

    3

    4)安装角的确定

    本文应用10个截面对叶片进行三维建模,为此需确定叶片各个截面的安装角。

    首先需要确定叶片入流角:

    4

    风机在稳态下,当尖速比确定时,对于诱导因子和入流角都是确定的。经过计算,入流角λ=38°。

    5

    通过在Mathematica软件中编程计算,分别得出了10个截面的安装角、弦长及气动中心参数,如表2所示。

    表2 各截面安装角、弦长及气动中心

    6

2 叶片的三维建模

    1)翼型离散点数据的导出

    本文选择NACA软件来导出翼型离散点数据。该软件拥有庞大的翼型数据库。通过输入翼型的型号,可以直接生成并保存翼型的点数据。另外还可以修改翼型特征点的数量。图2为基于NACA软件翼型截面示意图。表3为软件生成的NACA4415翼型点数据。

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    2)各截面点的空间坐标计算

    在获取了翼型点数据后,需要对各截面点的空间坐标进行计算。基于齐次坐标方法,对空间点变换几何坐标。

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    通过矩阵变换,可以实现图形的对称、平移、透视和全比例变换,具体需要进行一系列的复合变换,操作如下:

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    10

    应用Mathematica进行坐标点矩阵变换,比传统的计算方式更加简捷。应用Mathematica软件进行上述的矩阵变换,可得各截面上点的空间坐标值。计算得出的部分截面空间坐标值如表4所示。

    表4 部分截面空间坐标值

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    3)Creo Parametric中截面点坐标的导入及曲线绘制

    Creo Parametric软件主要通过2种点文件格式实现导入,分别是通过.pts格式和.ibl格式。在得到各个截面的空间点坐标后,导入到Creo Parametric,从而绘制出叶片的截面曲线。

    (1).pts文件格式的编辑

    .pts文件格式形式比较简单,只需要将计算出来的截面点数据保存至文本文件,再将文本文件后缀名更名为.pts即可。.pts文件格式如图3所示。

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    图3 .pts文件格式

责任编辑:张纯子
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