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风电叶片的3D打印系统性高效制造方法

2016-08-19  来源:中国风力发电网  [已有0人评论]  [有偿投稿]
核心提示:随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日益严重,推进新能源与可再生能源的开发利用已是大势所趋。
中国风力发电网讯:随着世界性能源危机日益加剧和全球环境污染日益严重,推进新能源与可再生能源的开发利用已是大势所趋。风能作为一种清洁的可再生能源,已成为世界各国的新能源发展的重要方向。叶片作为风力机的关键部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能保证了机组的正常运行,也决定了风机的发电性能和功率。叶片的设计与制造是风力机组的核心技术,不仅要求叶片具有高效的专用翼型,即合理的安装角、升阻比、叶尖速比和叶片扭角分布等,又需通过复合工艺与材料保证其质量轻、结构强度高、抗疲劳等方面的要求。
一方面,由于空气动力的复杂性,叶片外形的精确设计非常困难。传统的水平轴风力机多采用正向设计,即先设计并完善叶片的几何外形结构直到满足相应的气动性能要求。但是正向设计要面临很多问题,比如确定所需的气动特性沿叶展的分布,所需的转子特性不能确定等。采用逆向设计则能克服正向设计的不足,通过三维建模与原始的叶片实体模型进行比对,实现叶片的设计验证,还可以缩短设计周期和降低制造成本。另一方面,叶片的制造工艺也经历了从手糊成型到真空灌注成型、从开模成型到闭模成型的过程。外形简单的小型叶片通常采用模压成型的方法,但以低成本方式难以制造包含复杂几何形状以及多种材质的叶片,成为叶片制造行业的发展瓶颈。而3D打印技术具有生产周期短、制造材料丰富、可制造复杂形状模型等特点,在工业上得到了广泛应用。因此,本文提出了一种风电叶片的由逆向三维建模、辅助以有限元分析修正、最终3D打印实现的系统性高效制造方法。
制造方法与设计分析
1.1制造流程
风电叶片3D打印系统性高效制造流程如图1所示。首先,三维激光扫描机对目标叶片进行逆向扫描,获得三维模型并取得特征参数;然后通过有限元仿真,分析在特定载荷环境中叶片的失效情况,从而进行特征参数的修正,使其满足使用要求;最终,优化的几何模型通过3D打印技术制造成为实体。
1.2逆向测量
本文使用的风力电机叶片原型为美国SWWP公司的AirBreeze叶片[3],具体参数见表1。使用的仪器为德国Breukmann的三维激光扫描仪,获取叶片型面的原始精准数据,考虑叶片的边缘特征提取,对叶片进行了贴标记点的处理,如图2所示。

 
 

(来源:上海第二工业大学工程训练中心)

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