风力机叶片的三维建模.pdf

第 3 O卷第 2 期 2 0 0 9年 4月 能源技术 E NERGY TECHNOLOGY V0 1 3 O No 2 Ap r i l 2 0 0 9 风力机叶片的三维建模 闰海津 ， 胡丹梅 ( 上海电力学院能源与环境工程学院， 上海 2 0 0 0 9 0 ) 摘要： 介绍了应 用 UG和 G AMB I T软件进行三维风力机叶片建模的方法和具体过程， 提 出 了在叶片建模 中需要遵循的原则， 并给 出了三维模型实例。 关键词 ： 风力机叶片；三维建模 ；UG； GAMB I T 中图分类号： T M6 1 4 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5 7 4 3 9 ( 2 0 0 9 ) 0 2 - 0 0 8 9 - 0 3 Th e M e t h o d o f 3 D- mod e l i n g f o r W i n d Tu r b i ne Bl a d e Y A N Ha i - j i n ， HU D a n - me i ( S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o we r ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t r o d u c e s t h e me t h o d a n d t h e s p e c i f i c p r o c e s s o f 3 D- mo d e l i n g f o r W i n d Tu r b i n e Bl a d e u s i n g UG a n d GAM B I T mo d e l e s t a b l i s h i n g s o f t wa r e a n d g i v e s t h e e x a mp l e o f 3 D- mo d e l i n g f o r b l a d e i n t h e e n d Ke y wo r d s ：wi n d t u r b i n e ；b l a d e 3 D- mo d e l i n g；UG；GAM B I T 风力机叶片三维模型的建立是风力机叶片和叶 轮流场分析的重要手段 。风力机的叶片截面形状复 杂， 特别是在翼展方向还存在扭转角和渐缩的弦长， 叶片的实体三维建模困难。本文将借助于 UG和 GAMB I T的实体化曲面处理能力 ， 从风力机叶片各 个截面翼型的原始二维坐标数据出发， 构造出叶片 截面翼型的样条曲线， 建立了风力机叶片的三维实 体模型 。为此先获取叶片各个截 面的叶素数据 ， 然 后根据各个截面的翼型、 弦长 、 安装角和翼型厚度等 数据几何变换得到各个截面在空间实际位置的三维 坐标， 最后利用建模软件建立三维模型。 1 叶片的几何特征和主要参数 水平轴风力机 叶片是 由一 系列翼型 ( 或几 种不 同的翼型) 经一定 的角度旋转变换而形成的一个非 常不规则 的三维曲面， 叶片沿翼展方 向有不同的厚 度和弦长； 描述叶片的几何模型最基本的参数包括 叶片截面距根部距离 、 该处截面与翼型有关 的厚度 和弦长以及安装 角， 见 图 1 。本文所采用的截 面翼 基金项 目： 国家 自然科 学基金 项 目 5 0 7 0 6 0 2 5 ， 上 海市教 育委员 会科研项 目0 7 E El 4 4 型为 N A C A 6 3 4 系列的翼型， 部分截面的参数见 表 1 。 表 1 叶片各个截面参数分布 截面号 到叶片根部距离 m 弦长 m 安装角 ( 。 ) 厚度 m m 0 0 0 1 8 O 2 9 5 4 1 O 5 2 5 6 4 0 2 8 3 5 2 8 6 O 2 8 8 O 2 8 9 O 2 9 O O 2 9 1 O 1 6 9 0 1 6 9 0 1 8 0 8 2 0 6 7 2 2 9 5 2 3 9 0 0 5 3 3 0 43 3 0 2 9 9 O 2 1 6 O 1 1 2 0 Ol 2 2 叶片各个截面的空间实际坐标 为了确定叶片各个截面空间实际坐标 ， 首先要 在 叶片的某一截面上建立翼型的原始二维图像 ， 原 89 n 卯 ； ； ； M 札 n n & n c ； 闫海津等： 风力机叶片的三维建模 图 1 叶片几何参数示意图 始二维图像 的坐标 以前缘 为原点 、 弦线 方 向为 X 轴 ， 例如表 2为 NAC A6 3 4系列的翼型某个截面的 坐标， 然后把这些翼型数据进行平移变换 ， 保持弦线 方 向为 X轴， 原点移到气动中心。利用变换 ： ( X1 ， Y1 )= = =( Xo ， Yo )一 ( X。 ， Yq ) 式 中： ( X ， Y ) 为气动 中心坐标。 表 2中的( X。 ， Y o ) 变换成 ( X ， Y )， 这样 图 2 中原来截面 1被转换成新截面 2 。由于截面 1和截 面 2 的坐标都是以弦长为单位值时的坐标， 所以平 移后的坐标还需要乘以弦长 ， 把 ( X ， Y ) 转换 为相 应弦长处各离散点坐标 ， 设 c为弦长 ， 由： ( X2 ， Y2 )一 c ( X1 ， Y1 ) 可以得到的构成新截面的( Xz ， Yz ) ， 构成截 面 3 ， 再 经过旋转变换就可 以得到空 间坐标系 ( X， Y， Z ) 下 的截面 4 ； 结合截面在 Z方向的位置 ， 可以得到叶片 在到空间实际坐标 ( X， Y， Z) 下 的一 系列离散 点。 旋转变换的公式为 ： X一X； +y ；c o s ( a r c t a n Y 2 X2 +a ) y= = 二 、 虿礓s i n ( a r c t a n Y 2 x 2 + ) Z = = =r 根据以上步骤依次计算各截面上所有特征点的 空 间实际坐标 ， 就可以为三维建模提供足够 的离散 表 2 截面原始数据 Xo Yo 0 9 9 7 51 2 0 0 9 7 7 7 0 5 0 0 9 5 7 9 4 0 0 0 9 3 8 1 8 2 0 O 9 1 8 4 1 7 0 0 8 9 8 6 3 9 0 0 8 7 8 8 4 0 0 0 8 5 9 0 1 8 0 0 0 0 0 6 5 4 0 0 0 0 5 1 9 7 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 5 4 2 0 0 0 O 21 1 0 0 0 0 0 2 7 0 8 5 0 0 0 3 3 3 O l O 0 0 3 9 6 9 8 0 图 2 某截面空间实际坐标求解示意图 点坐标 ， 所得到 的各 个截 面的三维 坐标被保 存为 d a t 文件， 以便于导人建模软件。表 3 为 N A C A 6 3 4 系列的翼型在半径为 1 2 6 I T I 处 的截面上某些特征 点的计算结果 。 表 3 叶片某截面的三维坐标 3 通过建模软件建立三维模型 通过 UG的“ 样条曲线” 命令， 将各个截面坐标 的 d a t 文件依次导人 UG 中， 利用软件对这些离散 点进行拟合 ， 可以得到 NUR B S样条 曲线的精确翼 型轮廓 ； 部分截面翼型 曲线 的空 间布置如 图 3和图 4 所示 引。利用 GA MB I T拟合时 ， 将各个截面坐标 的 d a t 文件导人后先形成三维离散点图， 如图 5和 闫海津等： 风力机叶片的三维建模 图 6 所示， 然后利用线命令中的“ N UR B S ” 命令将各 个截面的离散点生成截面翼 型的曲线 3 ， 最后 的翼 型曲线 的空问布置如图 7和图 8所示 。 图3 UG中部分截面曲线仰视图 图4 UG中部分截面曲线侧视图 图 5 GA MB I T中离散点仰视图 图 6 GA MB I T中离散点侧视图 在确定 叶片各截面翼型曲线的空间实际位置之 后 ， UG可以采用多种方法实现对 叶片三维模型的 建模 ， 例如利用软件中用 自由线建立 曲面命令的 已 图 7 GA MB I T中部分截面曲线仰视 图8 G AMB I T中部分截面曲线侧视图 扫掠功能， 以及通过曲线组生成曲自由面的功能， 都 可以根据各个截面曲线 生成叶片的三维模型； 采用 后者所生成的三维叶片模型如图 9所示 。在具体操 作过程应 注意每条翼型曲线的切线方 向必须一致 ， 否则得不到预想的空问扭转曲面 4 。采用 G AM- B I T拟合时， 可以利用面命令中的“ S k in s u r f a c e ” 功 能， 将所有的截面曲线依次选中， 生成叶片的三维模 型 ； 拟合时最好不要一次选 中多个曲线 ， 否则所生成 的曲面往往不能很好地拟合每一条曲线。依次选中 各个截面 ， 在每个截面见 生成 曲面后再利用缝合 的 功能生成比较理想的三维叶片模型， 如图 1 O 所示。 一 般来讲， 利用 UG或者 G A MB I T拟合构造 的曲面， 过渡部分都会因曲率变化较大而出现不光 滑现象， 需要对叶片曲面作进一步的光滑性检查与 修整 ， 找出不光滑的区域附近的曲线 ， 通过调整曲线 的个别点再重新拟合 曲线和曲面 ， 反复观察调整 ， 直 至三维模型能够满足今后工作的要求为止。 4 结论 本文从风力机叶片各个截面翼型的原始二维坐 标数据出发， 借助于 U G和 G A MB I T的实体化曲 面处理能力， 构造出叶片截面翼型的样条曲线 ， 建立 了风力机叶片的三维实体模型， 可以精确、 完整和形 象地 反映 叶片 的曲面形 状 。 在建 模过程 中发 现与 ( 下转第 9 5页) 王淅芬等： 太阳能热水器得热量的两种测定方法比较 4 结论 通过对家用太阳热水系统分别采用排水法和混 水法进行得热量试验的分析， 可得到以下结论 。 ( 1 )在实际测试 中， 混水法没有计 人系统集热 器中保留水所带的热量， 所得的得热量仅仅是水箱 的得热量 ， 而排水法测定 的结果反映的热水器全部 得热量， 即混水法 的测定 结果反映 了太阳能热水器 能够提供给用户的热量 ， 而排水法的测定结果热水 器反映了热水器本身能够产生的热量 ， 两种方法 的 测试 目标不同， 在相关标准中应加 以区分。 ( 2 )由于我 国的大部分产品采用混水法检测 ， 国家标准对热水器得热量的要求也建立在混水法检 测的基础上的， 因此不能用排水法的测定结果直接 评判产品是否符合标准要求。相关国家标准中， 应 给排水法和混水法的限值进行分别规定。 ( 3 )采用混水 法测定太 阳能热水 器的得热量 ， 如果 能够计人热水器集热系统中所带热量并且加强 系统 的保温 ， 那么测定的结果应当 比较接近排水法 。 参考文献 ： E 1 7 魏凤， 张晓黎， 辛礼 环境条件对全玻璃真空太 阳能热水 系统热性能的影响口 能源技术， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 6 3 6 5 ( 上接 第 9 l页) 图 9 UG生成的叶片三维模型部分图 图 1 0 G AMB I T生成 的叶片三维模型部分 图 G AMB I T相 比， UG所得 出的三维模型对于点 和曲 法研究 J 机械设计与制造， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 2 4 -1 2 6 线的拟合更好些， 各个截面处过度也更平稳， 整体更 3 N A T H A N L o g s d o A p r o c e d u r e f o r n u m e r ic a l ly a n a 一 加光滑美观 ， 更适合后续的叶片及风力机叶轮流场l y z i n g a i r f o l l s a n d w i n g s e c t i o n s D - T h e F a c u l t y o f t h e 的数值模拟。该建模方法还可 以为其他类似 曲面，D e p a r t m e n o f Me c h a n i c a l& A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g 汽轮机叶片、 泵叶片等复杂曲面进行三维建模