李治國(guó), 郝 波, 劉 樂, 高志鷹, 汪建文
(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 呼和浩特 010051; 2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 呼和浩特 010051;3. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010051)
風(fēng)力機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,自然界湍流風(fēng)與葉片相互作用會(huì)發(fā)生氣彈耦合現(xiàn)象,葉片通常發(fā)生揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)變形[1-2]。然而柔性塔架使風(fēng)輪沿主軸方向形成軸向竄動(dòng)及旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng),與通常所見葉片揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)等變形具有顯著區(qū)別[3-7]。由于這兩種類型振動(dòng)頻率均低于風(fēng)輪一、二階振動(dòng),長(zhǎng)期反復(fù)觸發(fā)必然會(huì)加劇風(fēng)輪的損傷程度,對(duì)風(fēng)力機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命造成負(fù)面影響[8-13]。
Soleymani等[14]為減輕大型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪、塔架的振動(dòng)傳遞,設(shè)計(jì)出一種混合無源/有源陀螺穩(wěn)定器,來降低陀螺效應(yīng)所產(chǎn)生的振動(dòng)負(fù)能量。Da Costa等[15]利用有限元法研究一種添加襟翼復(fù)合結(jié)構(gòu)的小型風(fēng)力機(jī),發(fā)現(xiàn)添加襟翼能夠在一定程度上降低風(fēng)輪的陀螺效應(yīng)。Bahramiasl等[16]通過附加系泊鏈并試驗(yàn)測(cè)試海上風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪振動(dòng)變化,結(jié)果表明風(fēng)輪軸向竄動(dòng)會(huì)顯著降低。Heg等[17]利用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)、物理機(jī)制,揭示軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)的影響因素,通過優(yōu)化參數(shù)來降低這兩種振動(dòng)的影響。Hamdi等[18]運(yùn)用有限元法研究發(fā)現(xiàn),通過改變?nèi)~片剛度能夠改善風(fēng)輪陀螺效應(yīng)。郭仁春[19]將超導(dǎo)磁懸浮軸承用于風(fēng)力機(jī),探究發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪陀螺效應(yīng)、軸向竄動(dòng)得到一定程度改善。遲鳳東[20]運(yùn)用數(shù)值模擬方法,研究風(fēng)力機(jī)工作條件變化對(duì)風(fēng)輪陀螺效應(yīng)的影響程度,并通過改變陀螺力矩來降低風(fēng)輪陀螺效應(yīng)。
上述研究為降低風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)提出多種方法,如加裝陀螺穩(wěn)定器、添加襟翼、附加系泊鏈、加裝超導(dǎo)磁懸浮軸承等。本文基于分段式葉片設(shè)計(jì)理念[21-22],以課題組自主設(shè)計(jì)S型水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,采用流固耦合數(shù)值模擬方法,結(jié)合內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,探究?jī)啥问健⑷问?種葉片質(zhì)量分布對(duì)風(fēng)輪軸向竄動(dòng)及陀螺效應(yīng)的影響,并提出最優(yōu)質(zhì)量分布方案。
在SolidWorks中建立如圖1(a)水平軸風(fēng)力機(jī)物理模型,葉片材料為木質(zhì),表面涂有玻璃鋼材料,葉根處采用法蘭連接;風(fēng)輪輪轂中心距地面1.7 m,風(fēng)輪直徑為1.4 m。由于風(fēng)力機(jī)大部分時(shí)間在額定工況下工作,所以主要選擇額定工況進(jìn)行數(shù)值模擬,因此選取額定風(fēng)速、轉(zhuǎn)速分別為8 m/s、545 r/min。圖1(b)是風(fēng)力機(jī)分段式葉片模型,依據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片分段原理,近似對(duì)不同位置進(jìn)行單獨(dú)密度設(shè)置,從而改變?nèi)~片質(zhì)量分布并按長(zhǎng)度比例1∶1和1∶1∶1進(jìn)行分段。以內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室外形為基礎(chǔ),在ANSYS中建立如圖2所示的風(fēng)力機(jī)整機(jī)流場(chǎng)模型,入口截面距風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)域平面為2D,出口距離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面為5D,D代表風(fēng)輪直徑。采用四面體網(wǎng)格對(duì)該流場(chǎng)進(jìn)行劃分,為了得到旋轉(zhuǎn)域內(nèi)準(zhǔn)確的壓力分布,對(duì)葉片及輪轂進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理。

(a) 風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型

圖2 風(fēng)力機(jī)整機(jī)流場(chǎng)模型
流體為25 ℃空氣介質(zhì),入口邊界條件為速度入口,大小為8 m/s;出口邊界條件采用壓力出口,相對(duì)壓力為0;風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)流固耦合面上網(wǎng)格變形的傳遞,靜止壁面采用無滑移條件,采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算,應(yīng)用SST(Shear Stress Transport)方程進(jìn)行求解。
對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模態(tài)數(shù)值分析時(shí),材料參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確與否直接決定仿真結(jié)果的精確性。本文材料參數(shù)塔架密度為2 780 kg/m3,彈性模量為1.1×105MPa,泊松比為0.30;輪轂密度為7 250 kg/m3,彈性模量為1.13×105MPa,泊松比為0.25;軸段密度為2 950 kg/m3,彈性模量為2.0×105MPa,泊松比為0.30;葉片密度為625 kg/m3,彈性模量為4.8×103MPa;泊松比為0.33。針對(duì)實(shí)際風(fēng)力機(jī)運(yùn)行情況,對(duì)風(fēng)力機(jī)塔架底部添加完全約束,即對(duì)風(fēng)力機(jī)底部所有點(diǎn)進(jìn)行完全約束。在額定工況下,導(dǎo)入前期流場(chǎng)計(jì)算獲取的氣動(dòng)力載荷,添加風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速獲取離心力。進(jìn)而得到風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng),如振型、頻率等。
氣動(dòng)力是氣流流經(jīng)葉片各個(gè)葉素面的微元力總和
(1)
(2)
式中:D為葉片表面阻力,N;L為葉片表面升力,N;Cd為阻力系數(shù);CL為升力系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;u為來流風(fēng)速,m/s;c為葉片平均弦長(zhǎng),m;r為葉素微元距輪轂中心距離。
連續(xù)梁理論動(dòng)力學(xué)方程
(3)
式中:ρ、E、I、S為單位體積葉片的質(zhì)量、彈性模量、截面對(duì)中性軸的慣性積、葉片橫截面積;f(x,t)為單位長(zhǎng)度葉片上分布的外力;m(x,t)為單位長(zhǎng)度葉片上分布的外力矩。

(4)
葉片的主振動(dòng)可假設(shè)為
y(x,t)=φ(x)q(x)=φ(x)asin(ωt+θ)
(5)
代入自由振動(dòng)方程
(EIφ″)″-ω2ρSφ=0
(6)
式中,ω為固有頻率。
通過數(shù)值模擬方法得到計(jì)算原葉片風(fēng)輪軸向竄動(dòng)頻率為9.40 Hz,風(fēng)輪陀螺效應(yīng)頻率為17.85 Hz,而風(fēng)輪一階對(duì)稱、一階反對(duì)稱、二階對(duì)稱、二階反對(duì)稱均大于24.21 Hz。從頻率數(shù)值來看風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)輪一、二階固有頻率,而從圖3發(fā)現(xiàn)與剛性風(fēng)輪相比軸向竄動(dòng)沿軸向發(fā)生較大位移變化,塔架前后方向位移變化較為明顯。風(fēng)輪陀螺效應(yīng)為平衡旋轉(zhuǎn)力矩而產(chǎn)生渦動(dòng),從而與靜止位置風(fēng)輪發(fā)生一定錯(cuò)位現(xiàn)象。

(a) 原葉片風(fēng)輪軸向竄動(dòng)
2.1.1 試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證原葉片風(fēng)輪數(shù)值計(jì)算的可靠性,試驗(yàn)測(cè)試在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室B1/K2式風(fēng)洞開口試驗(yàn)段進(jìn)行。對(duì)開路低速風(fēng)洞開口段進(jìn)行標(biāo)定。風(fēng)力機(jī)裝配400 W永磁同步發(fā)電機(jī),采用工況調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè),在發(fā)電機(jī)前端緊靠風(fēng)輪處布置加速度傳感器捕獲振動(dòng)頻譜,通過頻譜分析法識(shí)別風(fēng)輪運(yùn)行模態(tài)。如圖4振動(dòng)信號(hào)分別由四個(gè)加速度傳感器感知,布置位置分別為發(fā)電機(jī)頂部前端、發(fā)電機(jī)側(cè)部前端、發(fā)電機(jī)頂端中部、發(fā)電機(jī)下端。利用譜分析法識(shí)別分段葉片風(fēng)輪動(dòng)頻,加速度傳感器感知測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)信息,并由數(shù)據(jù)線傳輸給數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡收集數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后,通過網(wǎng)線傳輸給電腦中的PULSE系統(tǒng)控制程序,控制程序完成測(cè)試系統(tǒng)的整體設(shè)置、控制及測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示。

(a) 試驗(yàn)設(shè)備原理示意圖
2.1.2 可靠性分析
記錄并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到表1,軸向竄動(dòng)振動(dòng)頻率穩(wěn)定在8.77 Hz,與數(shù)值模擬計(jì)算值9.40 Hz接近。陀螺效應(yīng)振動(dòng)頻率穩(wěn)定在17.14 Hz,與數(shù)值模擬計(jì)算值17.85 Hz接近。軸向竄動(dòng)振動(dòng)頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差控制在6.70%之內(nèi),陀螺效應(yīng)觸發(fā)頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差控制在3.98%之內(nèi)。風(fēng)輪在額定工況運(yùn)行時(shí),作用于風(fēng)輪表面的軸向推力是導(dǎo)致風(fēng)輪沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)原因之一,而塔架的彈性變形是發(fā)生軸向竄動(dòng)另一個(gè)重要原因。因風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)切向力方向時(shí)刻改變,從而使動(dòng)量矩不斷變化并使風(fēng)輪產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。數(shù)值模擬的計(jì)算值與試驗(yàn)值存在差異,這是因?yàn)樵囼?yàn)是通過布置于發(fā)電機(jī)前端部靠近風(fēng)輪處的加速度傳感器捕獲頻譜,這與數(shù)值計(jì)算理想的只針對(duì)風(fēng)輪-塔架模型進(jìn)行分析存在客觀的差異性。但是最大誤差僅有6.70%,證明該數(shù)值計(jì)算方法具有良好的可靠性,數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)具有較高可信度。

表1 原葉片試驗(yàn)與模擬結(jié)果
將葉片分割為兩段式進(jìn)行材料屬性的計(jì)算,兩段式葉片質(zhì)量分布比例相對(duì)較為明顯。從表2所示兩段式葉片質(zhì)量分布來看風(fēng)輪軸向竄動(dòng)易在低頻時(shí)被觸發(fā)且葉尖質(zhì)量分布為30%、70%時(shí)頻率數(shù)值分別為8.73 Hz、9.16 Hz。從圖5風(fēng)輪軸向竄動(dòng)位移變化振型來看塔架發(fā)生位移變化相對(duì)較為明顯。葉根質(zhì)量分布為 30%時(shí),塔架位移節(jié)點(diǎn)變化發(fā)生于塔架上段1/3處;葉根質(zhì)量分布為70%時(shí),塔架位移節(jié)點(diǎn)變化發(fā)生于塔架上段1/4處,由此分析可以發(fā)現(xiàn)葉尖質(zhì)量分布變大對(duì)塔架位移影響范圍逐漸擴(kuò)大。軸向竄動(dòng)致使三葉片沿軸向往復(fù)式運(yùn)動(dòng),易在葉根處發(fā)生較大位移并承受較大往復(fù)式剪切應(yīng)力。因此軸向竄動(dòng)觸發(fā)時(shí)易在葉片根部和發(fā)電機(jī)主軸產(chǎn)生疲勞損傷,而所帶來的損傷累積會(huì)減少所在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的正常運(yùn)行概率。長(zhǎng)期被觸發(fā)必然會(huì)對(duì)葉片疲勞損傷產(chǎn)生嚴(yán)重影響,縮短葉片使用壽命。

表2 兩段式葉片計(jì)算結(jié)果

(a) 葉根質(zhì)量為30%
由表2可以看出兩段式葉片陀螺效應(yīng)觸發(fā)時(shí),當(dāng)葉根質(zhì)量分布為30%時(shí)頻率變化為24.59%;當(dāng)葉根質(zhì)量分布為70%時(shí)頻率變化為5.15%。從頻率數(shù)值變化來看葉根質(zhì)量分布為30%時(shí)大于葉根質(zhì)量分布為70%時(shí)。從圖6可以看出三葉片振動(dòng)形式相似,雖然振動(dòng)順序先后和幅度稍有差異,但同一時(shí)刻三葉片均處于剛性風(fēng)輪兩側(cè),圖中平直不動(dòng)的平面為風(fēng)輪處于靜止時(shí)的位置面。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)離心慣性力,導(dǎo)致葉根處承受回轉(zhuǎn)式剪切應(yīng)力。風(fēng)輪切向力方向時(shí)刻發(fā)生改變,帶來動(dòng)量矩不斷改變,近而造成陀螺效應(yīng)頻率變化的不同。陀螺效應(yīng)振動(dòng)頻率數(shù)值變化相比于軸向竄動(dòng)效應(yīng)更為明顯,因而可以得到葉片質(zhì)量分布變化對(duì)陀螺效應(yīng)有更大影響。

(a) 葉根質(zhì)量為30%
為近一步探究分段式葉片質(zhì)量分布變化對(duì)風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)的影響規(guī)律,將葉片分割為三段式進(jìn)行研究。首先對(duì)三段式葉片軸向竄動(dòng)進(jìn)行探究,如表3所示三段式葉片質(zhì)量分布情況及數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)葉根質(zhì)量分布為60%、葉尖質(zhì)量分布為15%~25%時(shí)頻率數(shù)值相比于原葉片降低7.57%~8.55%;當(dāng)葉片中部質(zhì)量分布為60%時(shí)頻率數(shù)值相比于原葉片變化最大為18.14%。由以上數(shù)據(jù)可以看出,兩段式葉片質(zhì)量分布集中在葉尖可以降低風(fēng)輪軸向竄動(dòng)頻率,而三段式葉片葉根質(zhì)量大葉尖質(zhì)量較小時(shí)可以降低頻率數(shù)值。而從圖7可以看出,質(zhì)量分布1和3沿軸向發(fā)生竄動(dòng)位移最大,塔架位移節(jié)點(diǎn)都發(fā)生于上段1/2位置處。質(zhì)量分布2和4于60%集中葉片中部時(shí),沿軸向竄動(dòng)位移變化最小。而質(zhì)量分布5和6軸向竄動(dòng)位移變化介于上述兩者之間。葉尖質(zhì)量分布為60%時(shí)沿軸向竄動(dòng)振動(dòng)位移變化最大達(dá)15.38%,塔架位移影響范圍變大,造成葉根部位和發(fā)電機(jī)主軸位移竄動(dòng)劇烈。對(duì)于塔架設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮沿軸向竄動(dòng)振動(dòng)的合理性。葉片中部集中質(zhì)量分布為60%時(shí)對(duì)軸向竄動(dòng)振動(dòng)位移變化最小約3.45%。從頻率變化來看,葉片質(zhì)量60%集中于中部軸向竄動(dòng)頻率>葉片質(zhì)量60%集中于葉尖軸向竄動(dòng)頻率>葉片質(zhì)量60%集中于葉根軸向竄動(dòng)頻率。相比于頻率數(shù)值變化,振動(dòng)位移變化影響更加顯著。這也說明風(fēng)力機(jī)是個(gè)剛?cè)狁詈系南到y(tǒng),而柔性葉片和塔架保證風(fēng)力機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

表3 三段式葉片質(zhì)量分布及結(jié)果

(a) 質(zhì)量分布1
從表3可以看出,葉尖質(zhì)量分布為60%時(shí)頻率數(shù)值相比于原葉片降低33.50%~35.40%;葉片中部質(zhì)量分布為60%時(shí)頻率數(shù)值相比于原葉片降低16.97%~28.74%。以上數(shù)據(jù)分析得出向葉尖集中質(zhì)量時(shí)頻率數(shù)值降低幅度相對(duì)較大,而陀螺效應(yīng)相比于軸向竄動(dòng)觸發(fā)頻率更大且相對(duì)于原葉片風(fēng)輪頻率數(shù)值變化極為顯著。此類振動(dòng)觸發(fā)時(shí)所引起的位移變化量比軸向竄動(dòng)更為明顯,而此時(shí)風(fēng)輪葉片振動(dòng)形態(tài)與一階對(duì)稱振型形態(tài)有一定相似之處。風(fēng)輪繞主軸不斷回轉(zhuǎn),高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪動(dòng)量矩不斷改變方向。從葉根到葉尖的質(zhì)量分布變化相當(dāng)于改變?nèi)~片的質(zhì)量矩陣,從而使旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪切向力發(fā)生改變。兩方面原因?qū)е嘛L(fēng)輪在運(yùn)行時(shí)觸發(fā)陀螺效應(yīng)。從以上分析看出葉片質(zhì)量分布變化對(duì)陀螺效應(yīng)有著顯著影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中,保證葉片受力合理的前提下,適當(dāng)改變?nèi)~片質(zhì)量分布可有效改善風(fēng)輪陀螺效應(yīng)。
通過上述計(jì)算分析兩段式葉片、三段式葉片的8種質(zhì)量分布方案對(duì)2類典型振動(dòng)影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在保證葉片各個(gè)位置受力強(qiáng)度合理前提下,適當(dāng)調(diào)整葉片質(zhì)量分布,可有效降低風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)。降低風(fēng)輪軸向竄動(dòng)最佳選擇為6方案,從葉根到葉尖質(zhì)量分布依次為60%、25%、15%。降低風(fēng)輪陀螺效應(yīng)最佳選擇為1方案,從葉根到葉尖質(zhì)量分布依次為15%、25%、60%。同時(shí)考慮風(fēng)輪軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)最佳選擇為5方案,從葉根到葉尖質(zhì)量分布依次為60%、15%、25%,如表4所示。

表4 最佳方案
本文利用數(shù)值模擬方法及內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,對(duì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)某S型葉片(整段式)的軸向竄動(dòng)及陀螺效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析,證實(shí)SST單向流固耦合數(shù)值模擬方法是準(zhǔn)確可靠的。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究?jī)啥问健⑷问?種葉片質(zhì)量分布對(duì)上述兩種振動(dòng)的影響,主要結(jié)論如下:
(1) 葉尖質(zhì)量分布為60%對(duì)軸向竄動(dòng)位移影響達(dá)15.38%,塔架位移變化范圍擴(kuò)大,加劇葉根部位和發(fā)電機(jī)主軸疲勞損傷。葉片中部質(zhì)量分布為60%時(shí)對(duì)軸向竄動(dòng)位移影響達(dá)3.45%,表明在保證葉片合理受力下可適當(dāng)配置中部質(zhì)量分布。
(2) 高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪動(dòng)量矩不斷改變方向,易在葉根處產(chǎn)生回轉(zhuǎn)式剪切應(yīng)力。三葉片同一時(shí)刻氣動(dòng)載荷不對(duì)稱、質(zhì)量分布不均勻使切向力時(shí)刻變化,葉尖質(zhì)量為60%時(shí)對(duì)陀螺效應(yīng)頻率影響達(dá)33.50%以上。
(3) 降低軸向竄動(dòng)最佳選擇為質(zhì)量分布6方案,降低陀螺效應(yīng)頻率最佳選擇為質(zhì)量分布1方案,同時(shí)考慮軸向竄動(dòng)和陀螺效應(yīng)最佳選擇為質(zhì)量分布5方案。
本文提出的最佳質(zhì)量分布方案基于數(shù)值模擬方法,試驗(yàn)部分僅對(duì)原葉片(整段式)進(jìn)行驗(yàn)證與可行性分析,后續(xù)研究工作將對(duì)分段式葉片進(jìn)行實(shí)測(cè)。