風電機組葉片氣動彈性與顫振抑制

王明軍

隨著風電機組大型化趨勢的發(fā)展，葉片長度也不斷增加，葉片斷裂事故時有發(fā)生。更有甚者，個別機組在并網風速遠低于切除風速的情況下，投運不久就出現(xiàn)了葉片斷裂。

大型風電機組是一個復雜的流一固耦合系統(tǒng)，在自然風條件下運行時，作用在機組上的空氣動力、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。因此，在葉片結構設計時，不僅需要滿足強度和剛度要求，還必須考慮葉片顫振問題。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，剛好使物體維持等幅振蕩的一種自激振動。風速較高時，氣流攻角會很大，機組葉片發(fā)生顫振的可能性較大。然而，由于葉片受力復雜，葉片顫振涉及氣動力特性和葉片固體動力特性，目前對于該問題的研究，主要集中在顫振臨界速度及顫振頻率等，國內外對葉片動氣動彈性問題的研究尚不多。

本文將就葉片受力、葉片振動的基本原理及抑制葉片顫振的方法進行闡述。

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(xiàn)顫振和發(fā)散。氣動彈性不穩(wěn)定主要分成兩類：第一類是氣動彈性靜態(tài)不穩(wěn)定問題，稱為發(fā)散，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;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。

一、葉片坐標系與葉片振動

根據GL規(guī)范建立葉片坐標系，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XR、YB、ZB，其中ZB與葉片變槳軸重臺xR垂直于ZB，對于上風向機組，正向指向塔架方向，與葉輪軸線平行，也稱作葉片揮舞方向;YB垂直于xB和ZB，按右手定則確定，又稱作葉片擺振方向。葉片振動主要有揮舞、擺振、扭轉，以及三者之間的耦合。在低階，以XR方向揮舞為主，揮舞變形是葉片振動變形的主要形式，也是造成葉片破壞的主要原因。

二、葉片顫振及特點

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，涉及多門前沿學科的交叉與融合。

風電機組葉片經常要在失速工況下運行的特點決定了它的動力學失效與普通葉輪機葉片不同。風電機組葉片進口氣流的相對速度w，遠小于進口馬赫數(shù)M，葉片由于進氣攻角過大而失速，形成彎扭耦合振型的顫振。顫振的重要特征是存在顫振臨界狀態(tài)，即顫振臨界風速和顫振臨界頻率。當風速低于顫振臨界風速時，葉片對外界擾動的響應因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(xiàn)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(xiàn)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。前者主要是流一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發(fā)生的振動。

（1）經典顫振：是葉片扭轉和揮舞產生的自激不穩(wěn)定振動，其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流中吸收能量而擴大振幅。影響葉片顫振的因素很多，主要包括葉片的結構動力參數(shù)、來流特性和葉片所受的氣動力。

（2）失速顫振：與氣流分離和旋渦形成有關。這類顫振是由于風電機組的升力系統(tǒng)處于失速攻角附近而產生的氣動彈性失穩(wěn)現(xiàn)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(xiàn)象，與葉片的彎扭耦合有關，表現(xiàn)為葉片按照擺振固有頻率進行揮舞/擺振/扭轉的耦合振動。

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，不僅能造成葉片斷裂失效，還經常造成塔體攔腰折No

由于大型風電機組葉片具有展向長和剛度低的特點，經典顫振問題成為葉片動力學研究的一個重要內容。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，以及二者之間相互耦合機理。

三、兩類顫振的產生

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(xiàn)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，與空氣對葉片的阻尼力成反比。因此，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。

當氣流沿某個方向吹向葉片時，會出現(xiàn)兩種情況：一種情況是，當氣流攻角比較小時，氣流貼著葉片的上下表面流過;另一種情況是，當氣流攻角很大時，通過葉片下表面的氣流仍是貼壁流動，而流過上表面的氣流出現(xiàn)分離?？諝鈩恿W把這種現(xiàn)象稱為失速，將對應失速點的攻角稱為臨界攻角。在風的作用下葉片會產生升力。在兩種情況中，葉片升力大小隨攻角的變化而變化。當氣流攻角小于臨界攻角時，攻角愈大，升力愈大;當超過臨界攻角時，則攻角愈大，升力愈小，這是葉片失速后的最大特點。

再者，當葉尖以一定的速度相對根部做向上的彎曲運動時，原來流場中的氣流相對于葉片的新位置就有了一個很小的角度差。這種攻角的變化會引起力的變化。若攻角小于臨界攻角，當葉片向上做彎曲運動時升力變小。這種變小的升力對于葉片尖部向上的彎曲起到抑制作用。然而，若攻角大于臨界攻角，當葉片向上做彎曲運動時，升力是增加的。這種增大的升力對于葉片的向上彎曲運動起到了加強作用。在這種情況下，葉片的振動會愈來愈強烈。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。抑制業(yè)片顫振

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，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復雜的研究工作。目前主要是利用葉片型面設計、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抑制顫振。

一、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。葉片氣動參數(shù)變化與葉型幾何參數(shù)變化對顫振特性影響的研究表明：前重心葉片的穩(wěn)定性較好，前扭心葉片的穩(wěn)定性較差。因此，在設計葉片時，在滿足其他條件的情況下，應使葉型重心盡可能靠近葉片前緣。

葉片三心的變化對葉片穩(wěn)定性有很大的影響，因此，葉片防顫可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更容易失穩(wěn)，即扭心后置葉片較好。但在將葉片扭心后置時，其重心也將隨之后移，而重心前置葉片的穩(wěn)定性較好，顯然，重心位于扭心之前更為有益。此種情況下，如果非定常氣動力心位于重心和扭心之間，葉片穩(wěn)定性較差，所以，沿葉尖到葉根方向形成氣動力心、重心、扭心的分布，葉片有更好的穩(wěn)定性。對于扭心前置葉片，如果非定常氣動力心位于重心之后，則對葉片的穩(wěn)定性不利，而位于扭心和重心之間，葉片有較強的穩(wěn)定性。

因此，對具體葉片來說，不能簡單地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、重心而靠前些更好。

二、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（利用如GRP），其阻尼性能是金屬材料的10～100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。

目前，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(tǒng)葉片自身阻尼已不能對葉片顫振進行有效抑制，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等因素的制約。

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，如圖1所示。這樣既保證了材料有較高的結構阻尼，又不易出現(xiàn)阻尼層剝落現(xiàn)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，有效地提高葉片抑顫能力。圖2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性阻尼層復合材料中阻尼層通過內摩擦耗散掉部分擺振動能。且擺振方向的顫振頻率接近阻尼材料的最優(yōu)頻率。

三、利用氣動彈性剪裁技術抑制顫振

利用復合材料的可塑性、鋪層剪裁性和非線性振動特性，可以實現(xiàn)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。

（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(xiàn)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）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。

（4）與同型鋼葉片相比，復合材料葉片的剛性強、頻率高、模態(tài)阻尼高，即抗振性較好。

（二）利用葉片變形改變氣動力特性

設計具有優(yōu)良彎扭耦合性能的風電機組葉片，利用復合材料鋪層實現(xiàn)葉片氣動彈性剪裁，可以通過彎扭耦合效應改變葉片的氣動性能。發(fā)生彎扭耦合效應時，葉片攻角也會改變。根據葉素動量理論，攻角變化直接影響葉片運行過程中的合速度。葉片在達到順槳狀態(tài)的過程中，彎扭耦合效應可降低葉片所受載荷，延長機組壽命。

因此，鏡像對稱鋪層結構可實現(xiàn)葉片彎扭耦合;在氣動載荷作用下，葉片出現(xiàn)彎曲和扭轉變形，沿葉片展向彎扭耦合變形量增加，且與截面相對位置呈非線性關系;葉片彎扭耦合性能隨蒙皮偏軸夾角的變化而改變。

（1）Ansys復合材料模塊可實現(xiàn)復雜大型風電機組的葉片結構鋪層，建立的葉片模型精度高、誤差小。通過CFD方法獲得的葉片氣動載荷能細致描述葉片表面的受力情況，可提高數(shù)值模擬精度。

（2）隨著蒙皮偏軸夾角的增大，葉片彎扭耦合系數(shù)先增大后減小。當蒙皮偏軸夾角為15°時，葉片具有足夠的揮舞剛度和擺振剛度，且彎扭耦合性能最佳，彎扭耦合系數(shù)達0.426。

結語

隨著新增機組的葉片長度和柔性不斷增加，葉片損壞、斷裂概率也有所增加，可能帶來的損失巨大。而目前國內對風電機組葉片氣動彈性、振動問題及顫振產生的機理研究較少，因此，有必要對葉片振動的相關問題進行更加深入研究。在葉片設計和制造時，應采取各種有效措施抑制葉片顫振，避免因顫振導致葉片斷裂事故發(fā)生。