雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)對風(fēng)力發(fā)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(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 烏魯木齊 8300012.上海電機學(xué)院 機械學(xué)院 上海 2013063.新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院 烏魯木齊 8300014.新疆工程學(xué)院 能源高效利用技術(shù)重點實驗室 烏魯木齊 830001

1 研究背景

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

對風(fēng)力發(fā)電機葉片固有頻率進行研究,通常有計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)兩個方面。在計算模態(tài)方面,高偉等[2]對風(fēng)力發(fā)電機葉片加裝L形小翼和T形小翼,并分別進行了模態(tài)分析;張志勇[3]設(shè)計了不同的葉片截面形式,應(yīng)用有限元方法進行了模態(tài)測試;邢帥恒等[4]對復(fù)合材料鋪層角度與模態(tài)參數(shù)的關(guān)聯(lián)機制進行了研究;Gangele等[5]對1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機葉片進行了模態(tài)測試;Dai Feili等[6]對風(fēng)力發(fā)電機葉片的襟翼進行了模態(tài)分析。在試驗?zāi)B(tài)方面,馬劍龍等[7]研究了風(fēng)力發(fā)電機葉片加裝S形小翼對葉片模態(tài)參數(shù)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(shù)量變化對模態(tài)參數(shù)的影響;韓巧麗等[10]對新型木芯葉片進行破壞載荷及模態(tài)特性研究;Griffith等[11]應(yīng)用模態(tài)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(nèi)外對于風(fēng)力發(fā)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(jié)構(gòu)方面,對于葉尖改型的研究則較少。

為了確定一種改善風(fēng)力發(fā)電機葉片固有頻率的方法,筆者提出一種風(fēng)力發(fā)電機葉片雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)方案,并通過模態(tài)試驗的方法,分析雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)對風(fēng)力發(fā)電機葉片固有頻率的影響。

2 模態(tài)試驗方案

2.1 試驗對象

試驗對象為300 W小型風(fēng)力發(fā)電機葉片,裝機葉片數(shù)為三片,被測葉片如圖1所示。規(guī)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(fēng)速為8 m/s,額定轉(zhuǎn)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(shè)計可以減小飛行過程中的阻力,具有減振、降噪、省油等優(yōu)點。雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

▲圖1 被測葉片

2.2 試驗原理

模態(tài)試驗的原理是瞬態(tài)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(yīng)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(shù)。通過對頻響函數(shù)進行后處理及計算，便可以得到葉片的固有頻率等參數(shù)。

▲圖2 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)尺寸

2.3 測點布置

試驗采取多點激勵、多點響應(yīng)的測點布置方案,可獲得所有模態(tài)振型。在葉片表面均勻布置18個Z向測點，用于測試風(fēng)力發(fā)電機葉片的揮舞及扭轉(zhuǎn)振型。如圖3所示,1～18為測點,設(shè)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(shù)為五次。

▲圖3 測點與激勵點布置方案

3 風(fēng)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(tài)試驗一致,試驗原理為頻譜分析法。調(diào)整風(fēng)洞風(fēng)速為額定風(fēng)速8 m/s,在風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪受氣動載荷而旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。

3.2 測點布置

風(fēng)洞動頻試驗共布置兩個三向加速度傳感器,分別位于風(fēng)力發(fā)電機機頭靠近風(fēng)輪的前端與中端?；谒杉降恼駝宇l譜，結(jié)合模態(tài)試驗采集到的靜態(tài)振動頻譜,通過頻譜分析法可以間接識別出風(fēng)輪的動頻頻率[12]。

4 試驗結(jié)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(jié)構(gòu)葉片的前四階固有頻率較原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)葉片五階固有頻率較原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)；二階振型為葉尖小幅度扭轉(zhuǎn),葉中、葉根大幅度扭轉(zhuǎn),且前緣出現(xiàn)大幅度扭轉(zhuǎn)；三階振型為葉尖、葉中、葉根大幅度扭轉(zhuǎn),且前緣出現(xiàn)大幅度扭轉(zhuǎn)；四階振型與三階振型類似；五階振型為葉尖小幅度扭轉(zhuǎn),葉中、葉根大幅度扭轉(zhuǎn),且前緣出現(xiàn)大幅度扭轉(zhuǎn)；六階振型與五階振型類似。由振型分析可知,原結(jié)構(gòu)葉片振型較有規(guī)律。

▲圖4 原結(jié)構(gòu)葉片前六階振型

雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)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(zhuǎn),葉根小幅度扭轉(zhuǎn);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(zhuǎn)；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(zhuǎn)；六階振型為葉尖、葉中、葉根大幅度扭轉(zhuǎn)。通過與原結(jié)構(gòu)葉片振型對比分析可知,一階振型雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片在葉尖出現(xiàn)大幅度扭轉(zhuǎn),比原結(jié)構(gòu)差；三階、四階、五階振型雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片在葉尖與葉中出現(xiàn)揮舞,而原結(jié)構(gòu)葉片為扭轉(zhuǎn)振型,且葉片前緣大幅度扭轉(zhuǎn)振型消失,證明雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)改善了原結(jié)構(gòu)葉片的靜態(tài)振動特性。

▲圖5 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片前六階振型

由圖4與圖5分析可知,雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片可將原結(jié)構(gòu)葉片的一部分扭轉(zhuǎn)振型改變?yōu)閾]舞振型,明顯改善了原結(jié)構(gòu)葉片前緣出現(xiàn)的大幅度扭轉(zhuǎn)振型。因此，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以改善葉片的靜態(tài)振動特性。

4.3 葉片動頻

風(fēng)輪的動頻數(shù)據(jù)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(zhuǎn)基頻為P。風(fēng)輪一階坎貝爾圖如圖6所示。對于三葉片風(fēng)輪的風(fēng)力發(fā)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(shè)置為共振區(qū),在圖6中以虛線為界表示。風(fēng)輪動頻曲線與共振區(qū)的兩個交點所對應(yīng)動頻頻率之間的差值為風(fēng)輪動頻曲線穿過共振區(qū)的頻寬,此頻寬越窄,說明風(fēng)輪處于共振區(qū)的時間越短,能更快地脫離共振區(qū)。風(fēng)輪動頻曲線與主激振源頻率3P的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為共振點的轉(zhuǎn)速,此轉(zhuǎn)速越接近額定轉(zhuǎn)速,說明風(fēng)輪在正常工況下工作時產(chǎn)生共振概率的越大[13]。

由圖6可知，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片的整體動頻曲線位于原結(jié)構(gòu)葉片下方,因此雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片可調(diào)整風(fēng)輪動頻曲線的走勢。原結(jié)構(gòu)葉片的動頻曲線與共振區(qū)交點的風(fēng)輪動頻率為40.28 Hz、36.07 Hz,兩者之差4.21 Hz即為原結(jié)構(gòu)葉片的共振區(qū)頻寬，與主激振源頻率3P射線的交點即為共振點所對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速403.53 r/min。雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片的動頻曲線與共振區(qū)交點的風(fēng)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(jié)構(gòu)葉片的共振區(qū)頻寬,與主激振源頻率3P射線的交點即為共振點所對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速343.39 r/min。

▲圖6 風(fēng)輪一階坎貝爾圖

通過以上數(shù)據(jù)比較可知，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片的共振區(qū)頻寬為1.22 Hz，明顯小于原結(jié)構(gòu)葉片共振區(qū)頻寬4.21 Hz,且雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片共振點對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速343.39 r/min較原結(jié)構(gòu)葉片共振點對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速403.53 r/min更遠離額定轉(zhuǎn)速600 r/min,說明雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片可使風(fēng)輪進入共振區(qū)的時間變短,使風(fēng)輪能夠更快脫離共振區(qū)。因此，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以改善風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪的動頻特性。

5 結(jié)束語

筆者研究雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)能否改善葉片的固有頻率、振型，以及風(fēng)輪動頻頻率,進行了風(fēng)力發(fā)電機葉片模態(tài)試驗與風(fēng)洞試驗,分析數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:

(1) 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)葉片相較原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以改善葉片的固有頻率；

(2) 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可將原結(jié)構(gòu)葉片的一部分扭轉(zhuǎn)振型改變?yōu)閾]舞振型,且明顯改善了原結(jié)構(gòu)葉片前緣出現(xiàn)的大幅度扭轉(zhuǎn)振型，因此，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以改善葉片的靜態(tài)振動特性；

(3) 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪動頻曲線的走勢,使風(fēng)輪進入共振區(qū)的時間變短,從而可以快速脫離共振區(qū)，所以雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以改善葉片的動頻振動特性。

綜合研究結(jié)果可知,雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以改善葉片的固有頻率、振型，以及風(fēng)輪動頻頻率,為風(fēng)力發(fā)電機葉片的減振研究提供了基礎(chǔ)。