風電機組葉片設計與氣動彈性問題 - 副本

摘要：近年來，隨著風電機組容量的不斷增大，以及弱風速型機組的發(fā)展，在較短的時間內，葉片長度急劇增加，葉片剛度越來越小，柔性越來越大，風電機組的葉片設計必須考慮動氣動彈性穩(wěn)定性。本文就葉片受力、氣動彈性和顫振等問題進行了闡述；通過葉片三心設計原理、復合材料葉片和葉片氣動彈性剪裁抑制顫振的一些具體方法進行了介紹。

關鍵詞：葉片斷裂；顫振；葉片三心設計原理；復合材料葉片；氣動彈性裁剪0引言風電機組軸承開裂和葉片斷裂事件時有發(fā)生。有的機組在投運后很短的時間就出現了葉片斷裂，更有甚者，在并網風速遠低于切除風速的情況下，剛投運幾天的運行機組就出現了葉片斷裂問題。在地球表面形成的風屬于不均勻流，機組運行時，風速隨機變化，整個葉輪平面內氣流的壓強、速度、溫度和密度等物理量都隨時間不斷改變，葉輪工作氣流的流動屬于極其復雜的非定常流動。在整個葉輪平面內，風的橫向、縱向切變較大，風況變化很快，且缺乏足夠的檢測風速、風向和葉片振動傳感器，因此，當運行機組出現葉片斷裂時，難以準確了解葉片斷裂時的葉輪風況條件，從而難以確切監(jiān)測到葉片斷裂時的振動狀況。大型風電機組是一個復雜的流－固耦合系統，當風電機組在自然風條件下運行時，作用在機組上的空氣動力、其自身慣性力和彈性力等交變載荷會使結構產生變形或振動，進而對來流產生影響。因而葉片在結構設計時，其不僅需要滿足強度和剛度要求，還必須降低葉片振動。風電機組在較寬的工作范圍運行(風速范圍3～25m/s)。風速較高時，氣流攻角會很大。因此，機組葉片發(fā)生顫振的可能性較大。一旦葉片顫振發(fā)作，就會產生大振幅的劇烈振動。顫振是當升力面在氣流中以一定速度運動時，在氣動力、慣性力及彈性力耦合作用下，剛好使物體能夠維持等幅振蕩的一種自激振動。氣動彈性不穩(wěn)定性現象主要是顫振，對于葉片來說主要是顫振臨界速度及顫振頻率的研究。目前國內外對風電機組葉片的動氣動彈性問題的研究尚不多。隨著機組容量的不斷增加,葉輪直徑加大,尤其是“弱風速型機組”及海上機組的開發(fā)，在較短的時間內，葉片長度急劇增加，葉片的剛度越來越小，柔性越來越大。因此，風電機組設計必須考慮葉片的動氣動彈性穩(wěn)定性。分析葉片的氣動彈性穩(wěn)定性，都具有非常重要的意義，這也是風電機組設計技術的重要研究內容之一。然而，葉片也是機組受力最為復雜的部件。葉片顫振涉及到氣動力特性和葉片固體動力特性，至今對于顫振發(fā)作的機理還不甚清楚。本文將就葉片受力、葉片振動以及抑制葉片顫振的一些方法進行闡述。1葉片氣動彈性和顫振問題葉片在氣動力、重力和離心力作用下，其主要振動形式有：揮舞、擺振和扭轉。揮舞是指葉片在垂直于旋轉平面方向上的彎曲振動；擺振是指葉片在旋轉平面內的彎曲振動；扭轉是指葉片繞其變距軸的扭轉振動。這三種機械振動和氣動力交織作用，形成氣動彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動穩(wěn)定，否則會出現顫振和發(fā)散。顫振又稱為“氣動彈性不穩(wěn)定”，氣動彈性穩(wěn)定性問題主要分成兩類:第一類是氣動彈性靜態(tài)不穩(wěn)定問題，稱為發(fā)散問題，這類問題可以通過分析葉型的升力阻力曲線和葉片的扭轉彈性力來進行研究，分析起來較為簡單，已經得到較好的解決；第二類是氣動彈性動態(tài)不穩(wěn)定性問題，也就是顫振問題。1.1葉片受力、振型及振動特性根據GL規(guī)范建立葉片坐標系，如圖1所示，葉片坐標系的原點位于葉片根部，隨風輪旋轉，其三個坐標軸分別記為、、，其中與葉片變槳軸重合，垂直于，對于上風向風電機組，正向指向塔架方向，與風輪軸線平行，也稱作葉片揮舞方向；垂直于和，按右手定則確定，又稱作葉片擺振方向。Xb：葉輪的軸線向；Zb：葉片旋轉的軸線方向；Yb：逆時針葉輪旋轉的方向圖1葉片坐標系根據葉片翼型數據，采用曲線擬合的方法建立了葉片的三維模型，用有限元軟件ANSYS模擬風流場，通過對葉片模態(tài)分析，得到葉片前十階模態(tài)，發(fā)現葉片振動主要有揮舞、擺振、扭轉，以及三者之間的耦合，并且在低階時主要以為方向揮舞為主。使用ANSYS分析NACA0012翼型在流固耦合作用下的顫振特性，結果表明，顫振頻率與葉片低階固有頻率一致，來流速度和攻角是影響葉片氣動彈性穩(wěn)定性的重要因素?？諝鈩恿d荷與旋轉慣性載荷綜合作用下葉片變形主要由、負方向上的變形綜合引起，其中負方向上影響占到25%左右，負方向上影響占到75%左右，表明負方向上的揮舞變形為葉片上主要振動變形形式，是造成葉片破壞的主要原因。葉片模態(tài)分析固體計算選用ANSYSWorkbench瞬態(tài)動力學結構模塊進行分析，結構瞬態(tài)分析和流場的非定常計算采用相同的時間步長，設置耦合步長為2×10－４s，并施加約束條件。表1NRELPHASEⅥ葉片前四階固有頻率階數頻率／Hz振型表1分別是葉片的前四階固有頻率及振型。如圖1所示，即：葉片的一階振型是切向的揮舞彎曲振動；二階振型是軸向的擺振彎曲振動；三階振型是徑向的扭轉彎曲振動，但相對于一階振型的彎曲幅度更大；四階振型是彎曲和扭轉組合振動，振型較為復雜。根據結構振動理論，振動發(fā)生的主要能量集中在一階和二階，因此，葉片的主要振型是揮舞和擺振，高階葉片振型存在著彎曲和扭轉組合的復雜變形。

1.2

風電機組葉片的顫振及特點由于大自然風的隨機性、葉片動力激擾的多樣性、葉片變形之間及變形與氣動力之間的耦合性,風電機組葉片氣動彈性問題，屬于非線性結構與氣流相互作用的多場耦合結構動力學研究的范疇,涉及多門前沿學科領域的交叉與融合。再者，風電機組葉片經常要在失速工況下運行,決定了風電機組葉片有著不同于普通葉輪機葉片的特殊動力學失效行為。在風電機組葉片進口氣流的相對速度W，遠小于進口馬赫數M。由于葉片進氣攻角過大，造成葉片失速，形成葉片彎扭耦合振型的顫振。顫振的重要特征是存在顫振臨界風速和顫振臨界頻率，即當風速低于顫振臨界風速時，葉片對外界擾動的響應受到阻尼作用而衰減；但當風速高于顫振臨界風速時，葉片出現發(fā)散振動或振幅隨風速增加的等幅振動。風電機組葉片的顫振通常分為：線性經典顫振（經典顫振）和失速非線性顫振（失速顫振）兩大類，這兩大類顫振經常表現在葉片的揮舞方向和扭轉方向耦合(彎扭耦合)的振動過程中，其中揮舞方向的失速顫振造成的發(fā)散不穩(wěn)定是葉片斷裂失效的重要原因之一。前者主要是由流固耦合引起的葉片扭轉振動，它通常發(fā)生在葉片處于附著流的情況下；后者主要是葉片在氣動失速情況下，所引起的振動。經典顫振：由于發(fā)生在勢流中，因此氣流分離和邊界層效應對顫振過程沒有重要影響。這類顫振是風電機組葉片扭轉和揮舞產生的自激不穩(wěn)定振動，其基本特點是流動基本附著無明顯分離。它發(fā)生的條件是:結構上的瞬時流體動力與彈性位移之間有相位差，因而使振動的結構有可能從氣(或液)流中吸收能量而擴大振幅，通常稱為“經典顫振”。影響葉片顫振的因素很多，主要包括風輪葉片的結構動力參數、來流特性和風輪葉片所受的氣動力。失速顫振：與氣流分離和旋渦形成有關。這類顫振現象是風電機組的升力系統處于失速攻角附近所產生的氣動彈性失穩(wěn)現象。經典顫振與失速顫振相比，是一類更加強烈的氣彈不穩(wěn)定現象。它的產生與葉片彎曲和扭轉存在耦合有關,這種氣彈不穩(wěn)定表現為葉片按照擺振固有頻率進行揮舞/擺振/扭轉的耦合振動。而近年來在極端風速狀態(tài)下，經常能檢測到另外一種處于經典顫振和失速顫振臨界狀態(tài)的臨界顫振，該顫振發(fā)生時葉片處于一種準穩(wěn)態(tài)響應狀態(tài)。其中揮舞方向的臨界顫振引起的發(fā)散不穩(wěn)定，不僅能造成葉片的斷裂失效，還經常能造成塔體攔腰折斷現象。由于大型風電機組葉片具有展向較長和剛度較低的特點,經典顫振問題成為葉片動力學研究的一個重要的方面。顫振分析一般涉及彈性葉片的復雜結構特征與葉片周圍非定常氣流場特征的描述以及二者之間相互耦合機理的分析,因此,葉片顫振邊界的預測和顫振特性的分析是一項非常困難的工作。1.3

兩類顫振的發(fā)生經典顫振的發(fā)生：當葉片受擾動向上偏離平衡位置后，彈性恢復力使它向下方平衡位置運動，同時產生作用于葉片重心的向上慣性力，因葉片重心在扭心之后，慣性力產生對扭心的力矩而使葉片攻角減小，引起向下的附加氣動力，加快葉片向下運動；當葉片運動到下方極限位置而返回向上運動后，出現相反的情況。整個過程中，空氣動力是激振力，與葉片轉動速度的二次方成正比；同時還與空氣對葉片的阻尼力成反比。防止葉片顫振的最有效方法是使葉片重心前移以減小慣性力矩。

(a)

(b)圖2葉片的氣流攻角----失速特性下面借助圖解說明葉片為什么會發(fā)生另一類顫振——失速顫振。葉片剖面，如圖2所示，當有氣流沿著某個方向吹它時，就會出現以下兩種情況：當氣流與軸的夾角α（這里叫做攻角）比較小，氣流很順當地貼著葉片上的上下表面流過，如圖2（a）所表示的那樣；另一種是α角很大，氣流通過葉片下表面時仍是貼壁流動，但流過上表面時就出現分離，如圖2（b）所示。這種現象空氣動力學上稱之為失速，我們將對應這個失速點的攻角稱為臨界攻角。葉片在風的氣流作用下會產生升力。在上面兩種情況中，葉片升力大小隨攻角α而變，在α小于臨界攻角時，α愈大，升力愈大；當超過臨界攻角時，則α愈大，升力愈小。這是葉片失速后的最大特點。再有，當葉片的葉尖以一定的速度相對根部作向上的彎曲運動時，原來流場中的流相對于葉片的新位置就有了一個很小的角度差。這種攻角的變化引起力的變化。若α小于臨界攻角，當葉片向上作彎曲運動時升力是變小的。這種變小的升力對于葉片尖部向上的彎曲起了阻滯抑制的作用。然而，若α大于臨界攻角，當葉片向上彎曲運動時升力是趨向增加的。這個增大的升力對于葉片的向上彎曲運動起了推波助瀾的加強作用。因這時氣流給葉片加進了能量。在這種情況下，葉片的振動會愈來愈強烈。這種現象叫“顫振”，由于這種顫振是在葉片失速下形成的，故又稱為失速顫振。通過顫振發(fā)生過程可以看出，顫振是由氣動力、慣性力和彈性力交互作用的結果。2

抑制葉片顫振在葉片顫振研究中,抑制葉片顫振技術是防止葉片顫振發(fā)作的有效方法。風電機組在結構動力特性方面抑制葉片顫振技術主要是研究葉片的結構形式來抑制葉片顫振發(fā)作。如：利用葉片型面設計、結構設計以及利用復合材料葉片的振動特性與氣動彈性剪裁技術，來抑制顫振。由于葉片顫振屬于流體誘發(fā)振動中的氣動彈性耦合自激振動現象,涉及葉片的氣動力與葉片結構動力兩方面的問題,又與葉片造型、工藝等因素有關,因此，抑制葉片顫振是一項十分繁雜的工程技術。目前，在葉片顫振預估、葉片型面設計、復合材料葉片與氣動彈性剪裁方面,初步進行了一些研究工作。2.1利用三心設計原理抑制顫振葉片的三心設計與葉片顫振密切相關。通過葉片氣動參數變化與葉型幾何參數變化對顫振特性影響的研究。前重心葉片的穩(wěn)定性較好,相反前扭心葉片的穩(wěn)定性較差。具有前重心的葉片也免除在工作范圍內出現顫抖的振動現象。因此設計葉片時,在滿足其它條件下,應使葉型重心盡可能的靠近葉片前緣。葉片三心的變化對葉片穩(wěn)定性有很大的影響，因此，葉片設計和葉片防顫等,皆可以從三心角度進行調整；葉型的扭心靠近葉片前緣要比扭心靠后的更容易失穩(wěn)，即后扭心葉片較好。但在設計具有后扭心時,其重心也將隨之后移；前置重心穩(wěn)定性較好，重心位于扭心之前更為有益；對于前置扭心葉片,非定常氣動力心位于扭心和重心之間，葉片有較強的穩(wěn)定性，位于重心之后,對葉片的穩(wěn)定性不利；對于后置扭心葉片,非定常氣動力心位于重心和扭心之間，葉片穩(wěn)定性較差，而位于前緣形成氣動力心→重心→扭心的分布情況，葉片有很好的穩(wěn)定性。因而綜合看來，對具體葉片就不能單方面認為氣動力心離扭心，重心越遠越好。對于前扭心葉片而言,氣動力心靠近扭心較好，而對于后扭心葉片，氣動力心遠離扭心、重心而靠前些為好。2.2

用復合材料制造阻尼葉片抑制顫振當前，風電機組的葉片材料主要為纖維增強樹脂基復合材料(如GRP)，其阻尼性能是金屬材料的10倍～100倍，但是，在復雜交變應力的作用下，普通復合材料葉片往往因顫振而遭到破壞。共固化粘彈阻尼層能夠有效提高復合材料的阻尼性能，它是將粘彈性阻尼材料嵌入到復合材料結構中并與其共同固化成型，這樣既保證復合材料的強度和剛度，又大幅度提高了復合材料的阻尼性能，且不易出現阻尼層剝離現象。阻尼葉片結構目前風電機組葉片的材料主要是纖維增強樹脂基復合材料，包括玻璃纖維增強樹脂基復合材料(GFRP)和碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)，其中GFRP較為常用。纖維增強樹脂基復合材料具有良好的比剛度、比強度以及耐腐蝕性和良好的阻尼特性等優(yōu)點，但隨著風電機組葉片尺寸的不斷增大，傳統葉片自身阻尼已經不能對葉片顫振進行有效的抑制，因此，有必要對葉片做進一步的阻尼處理。常用的阻尼處理方法有自由阻尼結構層和約束阻尼結構層。這兩種方法都屬于事后被動處理，會受到葉片尺寸、重量以及阻尼層剝落現象等因素的限制。共固化阻尼層復合材料可以解決以上兩種阻尼處理方法存在的問題。該材料是直接將粘彈性阻尼材料作為鋪層嵌入到復合材料結構中(見圖3)。這樣既保證了材料較高的結構阻尼又不易出現阻尼層剝落現象。阻尼葉片是將共固化粘彈性阻尼層復合材料用于風電機組葉片，這樣可在滿足葉片比強度和比剛度要求的基礎上提高葉片的阻尼特性，有效提高葉片自身的抑顫能力。圖4為阻尼葉片截面示意圖。阻尼葉片的抑顫效果明顯，對擺振方向的抑顫效果優(yōu)于揮舞方向，這是由于共固化粘彈阻尼層復合材料中阻尼層通過內摩擦耗散掉部分振動能，且擺振方向的顫振頻率接近阻尼材料的最優(yōu)頻率。圖3共固化粘彈性阻尼層結構示意圖

圖4阻尼葉片結構示意圖2.3

利用氣動彈性裁剪技術抑制顫振利用復合材料的可塑性、鋪層裁剪性和非線性振動特性，可以實現葉片氣動彈性剪裁，以抑制顫振。葉片氣動彈性剪裁就是利用復合材料改變葉片的固有振動特性以及利用葉片的變形改變氣動力特性，進行葉片抑顫作用。第一，利用復合材料改變葉片的固有振動特性復合材料葉片的振動特性有如下幾點:（1）復合材料的鋪層方向與次序，對葉片的振動特性有很大的影響，即利用不同的鋪層方法，可以改變葉片的頻率，振型出現次序等。（2）0°和較小角度（<30°）的鋪層，具有較高的抗彎剛度；±45°的鋪層抗扭剛度最高；90°以及非純45°交替鋪層，具有很好的抗橫向振動性能。（3）不同的鋪層,對葉片振型的出現次序和頻率變化都有很大的影響。（4）復合材料葉片外鋪層比內鋪層對振動特性變化的影響大。對稱鋪層葉片，具有較強的彎扭耦合特性，同時葉片會產生較大的靜變形。（5）與同型鋼葉片相比，其剛性強，頻率高，