大型風電葉片單點疲勞加載過程振動特性研究*

文 | 李忠祥，劉衛生，張欣，張磊安

大型風電葉片單點疲勞加載過程振動特性研究*

文 | 李忠祥，劉衛生，張欣，張磊安

風能已經成為世界上增長最快的新能源，隨著風電機組單機容量的不斷增大，葉片的尺度也在相應增加。葉片作為風電機組最基礎、最關鍵的部件之一，其制造成本約占風電機組總成本的20%－30%。眾所周知，疲勞損傷是導致葉片損壞的主要原因之一，嚴重影響著葉片的使用壽命和安全運行，而理論計算往往和實際應用有較大差距，因此風電葉片疲勞試驗是檢驗其壽命和質量的關鍵一環。疲勞強度是風電機組葉片的一個重要參數，通常情況下葉片失效可歸結為共振應力所引起的疲勞破壞。風電機組葉片在旋轉過程中由于自身載荷及風載荷作用，葉片上的氣動力和力矩會發生周期變化，可能使葉片產生疲勞破壞。由于涉及到許多不確定性因素，對葉片疲勞進行理論分析較為困難，或分析結果不一定準確。要保證葉片的正常使用壽命在20年及以上，在投入使用之前，通常對樣件做疲勞加載試驗，以檢驗其抗疲勞能力。在疲勞加載模式中，單點加載對試驗設備和成本要求比較低，是目前國內外普遍采用的加載方式。單點加載是指只有一個加載點的激振方式，在葉片某截面安裝激振系統，產生交變疲勞載荷，迫使葉片做上下等幅振動，以此完成風電葉片全尺寸結構的疲勞性能測試。

為了風電葉片疲勞加載試驗的順利進行，本文首先設計一套單點疲勞加載系統，理論推導出風電葉片單點疲勞加載系統的動力學模型，并利用Matlab/simulink軟件建立仿真模型，可視化地得到葉片振幅與頻比的特征關系，最后通過風電葉片單點疲勞加載試驗驗證了動力學模型的準確性，為后續風電葉片的疲勞加載試驗奠定了基礎。

風電葉片單點疲勞加載系統

一、疲勞加載方案

基于穩定性、能耗等方面考慮，設計了一套偏心質量塊回轉驅動的風電機組葉片疲勞加載系統。風電葉片進行疲勞加載試驗時，根部通過若干個高強度螺栓固定在加載基座上。在加載點位置安裝一個疲勞加載系統，該系統由偏心塊、電動機、葉片夾具、減速箱和電控系統等組成，其示意圖見圖1。

二、動力學模型

風電葉片在疲勞試驗中被當作一個沿縱向變質量的懸臂梁，簡化的振動模型如圖2所示。

葉片揮舞方向受到的加載力為 u（t）時， 建立葉片動力學方程，如式（1）所示：式中：m－葉片等效質量；

圖1　風電葉片單點疲勞加載方案

k－葉片加載點等效剛度；

c－葉片等效阻尼；

u（t）－加載力。

將式（1）進一步轉化，得葉片運動狀態方程，如式（2）所示：

根據上式建立葉片在載荷作用下的振幅x變化如式（3）所示：

根據式（3）得到影響葉片振幅的主要因素為：剛度、阻尼、頻比（頻比定義為加載頻率與葉片固有頻率的比值）和加載力。進一步得到葉片振幅放大系數與頻比的關系，如圖3所示。

從圖3可以得出：在激振力 u（t）作用下，葉片振幅放大系數受頻比λ影響較大。λ越接近于1，葉片的振幅放大系數越大，即振幅越大。

圖2　葉片振動模型

圖3　振幅放大圖

圖4　風電葉片疲勞加載試驗

表1　試驗參數

風電葉片單點疲勞加載試驗

一、試驗過程

以葉片最大弦向為例，將風電葉片根部通過高強度螺栓固定在筒型加載支座上，沿葉片展向70%處固定疲勞加載驅動裝置，葉片振幅的測量通過激光測距儀完成，試驗現場如圖4所示。

試驗參數如表1所示。

疲勞加載試驗采用多級變幅加載模式，并按照高－低加載順序。由于疲勞加載試驗周期較長，采集數據量較大，采用Access數據庫進行數據的存儲與管理，實時記錄葉片振動次數與當前幅值。基于Labview軟件編寫的監控界面如圖5所示。

二、試驗結果及分析

設定變頻器輸出不同的頻率，分別為0.76Hz、0.78Hz和0.82Hz，得到不同加載頻率驅動下葉片振幅的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可得，當加載頻率為0.78Hz時，小于葉片的固有頻率，此時葉片穩定狀態時的振幅較小，約為150mm；當加載頻率為0.78Hz時，等于葉片的一階固有頻率，穩定后葉片振幅最大，約為400mm，認為兩者發生共振現象，基本能滿足疲勞加載試驗的要求；當繼續增大驅動頻率達到0.82Hz時，由于與共振頻率偏離較大，振幅變得絮亂。上述結論驗證了之前的數學模型和仿真模型的準確性。

圖5　監控界面

結論

本文設計了一套偏心質量塊驅動的風電葉片單點疲勞加載系統，并對其振動特性進行研究，得出以下主要結論：

（一）推導出風電葉片單點疲勞加載動力學模型，得出影響葉片振幅大小的一系列參數，如剛度、阻尼、頻比和加載力等。

（二）利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，得出在不同頻比下的葉片振動曲線振幅放大曲線。現場試驗得出：當加載頻率和葉片的一階固有頻率相同時，葉片振幅最大且最穩定，偏離共振頻率越大，振幅衰減的越厲害。

圖6　不同加載頻率下，葉片振幅變化曲線

（三）風電葉片進行疲勞試驗時的加載頻率應與葉片的一階固有頻率相同，此時葉片穩定振幅達到最大，試驗周期最短，加載效率最高。

（作者單位：李忠祥、劉衛生，張欣：連云港中復連眾復合材料集團有限公司；張磊安：山東理工大學）

國家自然科學基金（51405275）；山東省自然科學基金（ZR2014EL027）；中國博士后科學基金（2015M571840）