雙叉式葉尖結構對風力發電機葉片固有頻率影響的試驗研究*

□ 代元軍 □ 賀 凱 □ 翟明成

1.新疆農業大學 機電工程學院 烏魯木齊 8300012.上海電機學院 機械學院 上海 2013063.新疆工程學院 能源工程學院 烏魯木齊 8300014.新疆工程學院 能源高效利用技術重點實驗室 烏魯木齊 830001

1 研究背景

隨著傳統能源的過度消耗,人們對新能源越來越重視。風能具有可持續、分布廣、無污染等優點,風力發電機是將風能轉化為電能的裝置。風力發電機葉片的造價占整個風力發電機的1/3[1],葉片在旋轉時外界激振頻率接近或等于葉片的固有頻率,會產生共振。共振對風力發電機葉片的危害非常大,因此對風力發電機的設計人員而言，需要盡可能改善葉片的固有頻率,使風力發電機減小或者避免共振的危害。

對風力發電機葉片固有頻率進行研究,通常有計算模態與試驗模態兩個方面。在計算模態方面,高偉等[2]對風力發電機葉片加裝L形小翼和T形小翼,并分別進行了模態分析;張志勇[3]設計了不同的葉片截面形式,應用有限元方法進行了模態測試;邢帥恒等[4]對復合材料鋪層角度與模態參數的關聯機制進行了研究;Gangele等[5]對1.5 MW風力發電機葉片進行了模態測試;Dai Feili等[6]對風力發電機葉片的襟翼進行了模態分析。在試驗模態方面,馬劍龍等[7]研究了風力發電機葉片加裝S形小翼對葉片模態參數的影響;張建偉等[8]對葉片進行V形葉尖改型,研究葉片改型對固有頻率的影響;汪建文等[9]分析了葉片數量變化對模態參數的影響;韓巧麗等[10]對新型木芯葉片進行破壞載荷及模態特性研究;Griffith等[11]應用模態試驗法，測試不同翼型的彎扭耦合點。通過文獻分析可知，目前國內外對于風力發電機葉片固有頻率的改善，大部分集中在葉尖加裝小翼或是葉片自身結構方面,對于葉尖改型的研究則較少。

為了確定一種改善風力發電機葉片固有頻率的方法,筆者提出一種風力發電機葉片雙叉式葉尖結構方案,并通過模態試驗的方法,分析雙叉式葉尖結構對風力發電機葉片固有頻率的影響。

2 模態試驗方案

2.1 試驗對象

試驗對象為300 W小型風力發電機葉片,裝機葉片數為三片,被測葉片如圖1所示。規定葉片軸向方向為X軸方向,寬度方向為Z軸方向,厚度方向為Y軸方向。額定風速為8 m/s,額定轉速為600 r/min。雙叉式葉尖改型方案來源于民用客機采用的雙叉式機翼,這一機翼設計可以減小飛行過程中的阻力,具有減振、降噪、省油等優點。雙叉式葉尖結構尺寸中，葉尖夾角θ為60°,葉尖長度a為4.7 cm，葉尖寬度h為4.5 cm。雙叉式葉尖結構尺寸如圖2所示。

▲圖1 被測葉片

2.2 試驗原理

模態試驗的原理是瞬態激振法,采用手持式力錘對葉片施加激勵。葉片受到激勵后被迫振動,此時粘貼在葉片表面的加速度傳感器采集原始振動信號。由計算機應用BK Connect軟件識別并處理所采集的原始振動信號,得到葉片振動時的頻響函數。通過對頻響函數進行后處理及計算，便可以得到葉片的固有頻率等參數。

▲圖2 雙叉式葉尖結構尺寸

2.3 測點布置

試驗采取多點激勵、多點響應的測點布置方案,可獲得所有模態振型。在葉片表面均勻布置18個Z向測點，用于測試風力發電機葉片的揮舞及扭轉振型。如圖3所示,1～18為測點,設置傳感器頻率采集范圍為0～400 Hz；19～22為力錘激勵點,需要人力進行Y向激勵,每次試驗激勵敲擊次數為五次。

▲圖3 測點與激勵點布置方案

3 風洞動頻試驗方案

3.1 試驗對象與試驗原理

試驗對象與模態試驗一致,試驗原理為頻譜分析法。調整風洞風速為額定風速8 m/s,在風力發電機風輪受氣動載荷而旋轉時,同時通過三向加速度傳感器記錄動頻振動信號。對采集到的振動頻譜進行快速傅里葉變換,再通過頻譜分析法提取動頻頻率數據。

3.2 測點布置

風洞動頻試驗共布置兩個三向加速度傳感器,分別位于風力發電機機頭靠近風輪的前端與中端。基于所采集到的振動頻譜，結合模態試驗采集到的靜態振動頻譜,通過頻譜分析法可以間接識別出風輪的動頻頻率[12]。

4 試驗結果

4.1 葉片固有頻率

葉片前六階固有頻率見表1。由表1可知,雙叉式葉尖結構葉片的前四階固有頻率較原結構葉片有降低的趨勢,五階、六階固有頻率有升高的趨勢。雙叉式葉尖結構葉片五階固有頻率較原結構葉片提高了16.38%,六階固有頻率提高了8.87%。通過分析可知，雙叉式葉尖結構可以改善葉片的固有頻率。

表1 葉片前六階固有頻率 Hz

4.2 葉片振型

原結構葉片前六階振型如圖4所示。由圖4可知，一階振型為葉尖、葉中、葉根小幅度扭轉；二階振型為葉尖小幅度扭轉,葉中、葉根大幅度扭轉,且前緣出現大幅度扭轉；三階振型為葉尖、葉中、葉根大幅度扭轉,且前緣出現大幅度扭轉；四階振型與三階振型類似；五階振型為葉尖小幅度扭轉,葉中、葉根大幅度扭轉,且前緣出現大幅度扭轉；六階振型與五階振型類似。由振型分析可知,原結構葉片振型較有規律。

▲圖4 原結構葉片前六階振型

雙叉式葉尖結構葉片前六階振型如圖5所示。由圖5可知，一階振型為葉尖、葉中大幅度扭轉,葉根小幅度扭轉;二階振型與一階振型類似；三階振型為葉尖、葉中大幅度揮舞,葉根小幅度扭轉；四階振型與三階振型類似；五階振型為葉尖大幅度揮舞,葉中、葉根大幅度扭轉；六階振型為葉尖、葉中、葉根大幅度扭轉。通過與原結構葉片振型對比分析可知,一階振型雙叉式葉尖結構葉片在葉尖出現大幅度扭轉,比原結構差；三階、四階、五階振型雙叉式葉尖結構葉片在葉尖與葉中出現揮舞,而原結構葉片為扭轉振型,且葉片前緣大幅度扭轉振型消失,證明雙叉式葉尖結構改善了原結構葉片的靜態振動特性。

▲圖5 雙叉式葉尖結構葉片前六階振型

由圖4與圖5分析可知,雙叉式葉尖結構葉片可將原結構葉片的一部分扭轉振型改變為揮舞振型,明顯改善了原結構葉片前緣出現的大幅度扭轉振型。因此，雙叉式葉尖結構可以改善葉片的靜態振動特性。

4.3 葉片動頻

風輪的動頻數據以坎貝爾圖的形式來進行分析。由坎貝爾圖原點引出的多條射線為激振頻率射線，旋轉基頻為P。風輪一階坎貝爾圖如圖6所示。對于三葉片風輪的風力發電機而言,可以認為基頻的三倍頻，即3P是主激振源頻率。將±10%主激振源頻率范圍設置為共振區,在圖6中以虛線為界表示。風輪動頻曲線與共振區的兩個交點所對應動頻頻率之間的差值為風輪動頻曲線穿過共振區的頻寬,此頻寬越窄,說明風輪處于共振區的時間越短,能更快地脫離共振區。風輪動頻曲線與主激振源頻率3P的交點所對應的轉速即為共振點的轉速,此轉速越接近額定轉速,說明風輪在正常工況下工作時產生共振概率的越大[13]。

由圖6可知，雙叉式葉尖結構葉片的整體動頻曲線位于原結構葉片下方,因此雙叉式葉尖結構葉片可調整風輪動頻曲線的走勢。原結構葉片的動頻曲線與共振區交點的風輪動頻率為40.28 Hz、36.07 Hz,兩者之差4.21 Hz即為原結構葉片的共振區頻寬，與主激振源頻率3P射線的交點即為共振點所對應的風輪轉速403.53 r/min。雙叉式葉尖結構葉片的動頻曲線與共振區交點的風輪動頻率為32.76 Hz、31.54 Hz,兩者之差1.22 Hz即為雙叉式葉尖結構葉片的共振區頻寬,與主激振源頻率3P射線的交點即為共振點所對應的風輪轉速343.39 r/min。

▲圖6 風輪一階坎貝爾圖

通過以上數據比較可知，雙叉式葉尖結構葉片的共振區頻寬為1.22 Hz，明顯小于原結構葉片共振區頻寬4.21 Hz,且雙叉式葉尖結構葉片共振點對應的風輪轉速343.39 r/min較原結構葉片共振點對應的風輪轉速403.53 r/min更遠離額定轉速600 r/min,說明雙叉式葉尖結構葉片可使風輪進入共振區的時間變短,使風輪能夠更快脫離共振區。因此，雙叉式葉尖結構可以改善風力發電機風輪的動頻特性。

5 結束語

筆者研究雙叉式葉尖結構能否改善葉片的固有頻率、振型，以及風輪動頻頻率,進行了風力發電機葉片模態試驗與風洞試驗,分析數據得出如下結論:

(1) 雙叉式葉尖結構葉片相較原結構葉片，前四階固有頻率降低,五階、六階固有頻率升高，由此可知雙叉式葉尖結構可以改善葉片的固有頻率；

(2) 雙叉式葉尖結構可將原結構葉片的一部分扭轉振型改變為揮舞振型,且明顯改善了原結構葉片前緣出現的大幅度扭轉振型，因此，雙叉式葉尖結構可以改善葉片的靜態振動特性；

(3) 雙叉式葉尖結構可以調整風力發電機風輪動頻曲線的走勢,使風輪進入共振區的時間變短,從而可以快速脫離共振區，所以雙叉式葉尖結構可以改善葉片的動頻振動特性。

綜合研究結果可知,雙叉式葉尖結構可以改善葉片的固有頻率、振型，以及風輪動頻頻率,為風力發電機葉片的減振研究提供了基礎。