风力发电机叶片颤振概述

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　　风力发电机叶片颤振产生机理

　　大型风力机是一个复杂的流-固耦合系统，细而长的叶片具有无穷多个弯曲和扭转振动模态，随机流动的空气作用在叶片上，除了产生空气动力带动风轮旋转，还会使风机产生气动弹性问题，包括静态发散现象、颤振问题、风轮与塔架耦合稳定性问题等。

　　风力发电机叶片颤振是不稳定的自激振动，当叶片在流场作用下产生变形或运动，而叶片的变形或运动反过来又影响流场，从而改变流体在叶片表面上的载荷大小和分布。

　　叶片在气动力、重力和离心力作用下，其主要振动形式有：

　　 · 挥舞，是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动;

　　 · 摆振，是指叶片在旋转平面内的弯曲振动;


　　 · 扭转，是指叶片绕其变距轴的扭转振动。

　　这三种机械振动和气动力交织作用，形成气动弹性问题。如果这种相互作用是减弱的，则振动稳定，否则会出现颤振和发散。颤振又称为“气动弹性不稳定”。

　　气动弹性稳定性问题主要分成两类：

　　 · 第一类是气动弹性静态不稳定问题，称为发散问题，这类问题可以通过分析叶型的升力阻力曲线和叶片的扭转弹性力来进行研究，分析起来较为简单，已经得到较好的解决。


　　  · 第二类是气动弹性动态不稳定性问题，也就是颤振问题，这类问题是目前的研究重点，是桨叶在气动力影响下，产生一系列大幅值振荡或具有发散特性的挠曲。它可使飞行器结构、风机叶片破坏，建筑物和桥梁倒塌。

　　就空气动力学方面产生的原因而言，风力发电机叶片颤振问题可分为两类：

　　第一类颤振问题与气流分离和旋涡形成有关。这类颤振现象是风力机的升力系统处于失速攻角附近所产生的气动弹性失稳现象。这类颤振还会出现在具有非流线型剖面的高层钢结构建筑及某些高速旋转机械上。这类颤振有时称之为“驰振 (galloping)”或“失速颤振 (stall flutter)”。

　　第二类颤振由于发生在势流中，因此气流分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响。这类颤振是风机叶片扭转和挥舞产生的自激不稳定振动，其基本特点是流动基本附着无明显分离。它发生的条件是结构上的瞬时流体动力与弹性位移之间有相位差，因而使振动的结构有可能从气(或液)流中吸收能量而扩大振幅。这类颤振主要发生在航空航天飞行器结构的流线型剖面升力系统中，通常称为“经典颤振”。影响风机叶片颤振的因素很多，主要包括风轮叶片的结构动力参数、来流特性和风轮叶片所受的气动力。

　　国内外风力发电机叶片颤振研究现状

　　颤振分析一般涉及弹性叶片的复杂结构特征与叶片周围非定常气流场特征的描述以及二者之间相互耦合机理的分析，因此，叶片颤振边界的预测和颤振特性的分析是一项非常困难的工作。

　　我国对风机叶片颤振抑制技术的研究始于20世纪80年代，宋兆泓对内蒙牧民用的50W双叶风力发电机叶片振动故障进行分析，确认其故障原因是流体诱发的颤振引起的。为了排除故障，主要从防颤方面着手，提高叶片固有频率，改进重扭心位置和提高成型的工艺质量要求，设计了两种防颤的新叶型，即FD-01 型与FD-02型，并进行了野外车载试验，证实了新型叶片防颤效果良好。因此在叶片设计中可通过适当调整结构的质量和刚度分布，改变固有频率或限定风机的转速，使叶片的固有频率避开系统的耦合振动时的频率的方法来预防颤振的发生。

　　风力发电机在运行中，叶片的旋转会使其固有频率略有改变，而且叶片在颤振时的固有频率是系统的耦合振动的频率。但是一般情况下，系统的耦合振动的频率同静止状态下单个叶片的自由振动频率很接近，所以单个叶片的动力学分析及设计具有很重要的意义。当叶片的固有频率与激振力的频率相同时就会发生共振，由于惯性不平衡力而引起的激振很难完全避免，因此在设计中可以改变叶片局部或全局结构的刚度等使振动尽可能减小，特别是要避免发生颤振。

　　在国外20世纪90年代引入射流达到减振效果的方法被提出，通过在叶片周围流场加入适当的干扰来抑制分离流动的发展，推迟叶片失速发生，达到降低叶片振动的目的。引入射流的方法有结构简单、响应迅速、控制方便等优点，是一种比较流行的干扰方法。Seifert等在引入射流控制叶片振动方面进行了一系列的试验，并证明引入适量射流可以推迟失速的发生角度。金琰在S806风力机翼型背部部分引入射流的减振技术，采用流固耦合的数值计算方法研究了其在大攻角(15°-50°)范围的颤振，结果表明了在翼型背部引入射流会降低振动，并基本上不影响翼型的升力系数。

　　除以上两种方法，国内外学者对风力机叶片气动弹性问题以及其颤振抑制技术上的研究不胜枚举。

　　  · Lbitz D W基于叶片的弹性FEM方程和非定常气动力模型研究经典颤振特性，但是仅限于静止风速下的旋转叶片;


　　  · Chaviaropoulos P基于叶片 FEM 方程研究挥舞 - 摆振叶片的颤振行为，重点研究的是挥舞 - 摆阵叶片的动力失速特性;


　　  · 李林凌对风机叶片及周围气体进行有限元分析推导出了风机叶片与周围气体耦合微分方程模型，利用模态分析理论对风机叶片颤振、噪声辐射等情况进行分析，研究风机叶片与周围流体耦合对叶片颤振、声辐射的影响，得到风机叶片耦合频率特性规律;


　　  · 黎少辉利用流固耦合特性，探讨了气动力脉动和风机叶片结构之间的关系，寻找失速颤振的频率，有利于探明失速颤振的机理;


　　  · 杨树莲介绍了智能材料用于飞行器叶片结构的颤振主动抑制例子及其效果分析，并提出了智能材料作为驱动器埋入复合材料桨叶结构，做成智能夹层在大型风力机叶片结构颤振主动控制应用中的发展方向;


　　  · 刘虎平研究了风力发电机叶片典型剖面模型，本模型可以简单、经济和快捷地获得失速颤振特性的主要结构和气动影响参数，是验证叶片挥舞/摆阵气动弹性稳定性常用的一种有效的结构模型。通过该模型刘虎平研究了风力机叶片的弯扭耦合颤振问题，建立了叶型颤振模型及其运动微分方程，得出了叶片颤振的稳定性判据，验证了研究风力机叶片气动弹性动稳定性的关键工作在于确定气动阻尼矩阵和气动刚度矩阵，并采用龙格-库塔方法分别求解了5种不同风速时风力机叶片运动微分方程，通过叶片运动规律的变化趋势，证明了其叶片气动弹性稳定性分析方法的正确性和有效性;


　　  · 梁明轩根据叶片翼型数据，采用曲线拟合的方法建立了叶片的三维模型，用有限元软件 ANSYS 模拟风流场，通过对叶片模态分析，得到叶片各阶模态，发现叶片振动主要有扭转、挥舞、摆振，以及三者之间的耦合。对于叶片气动弹性问题进行研究，建立叶片颤振方程，确定叶片颤振发散条件。


　　来源：摘编自《液压与气动》2012年第10期《风力发电机叶片的气动弹性及颤振研究综述》
　　原文作者：孙丽萍，王昊，丁娇娇