風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振產(chǎn)生原理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振產(chǎn)生原理

大型風(fēng)力機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的流-固耦合系統(tǒng)，細(xì)而長(zhǎng)的葉片具有無窮多個(gè)彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，隨機(jī)流動(dòng)的空氣作用在葉片上，除了產(chǎn)生空氣動(dòng)力帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，還會(huì)使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣動(dòng)彈性問題，包括靜態(tài)發(fā)散現(xiàn)象、顫振問題、風(fēng)輪與塔架耦合穩(wěn)定性問題等。

風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振是不穩(wěn)定的自激振動(dòng)，當(dāng)葉片在流場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，而葉片的變形或運(yùn)動(dòng)反過來又影響流場(chǎng)，從而改變流體在葉片表面上的載荷大小和分布。

1、葉片在氣動(dòng)力、重力和離心力作用下，其主要振動(dòng)形式有：

揮舞，是指葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)；

擺振，是指葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)；

扭轉(zhuǎn)，是指葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

這三種機(jī)械振動(dòng)和氣動(dòng)力交織作用，形成氣動(dòng)彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動(dòng)穩(wěn)定，否則會(huì)出現(xiàn)顫振和發(fā)散。顫振又稱為“氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定”。

2、氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問題主要分成兩類：

第一類是氣動(dòng)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(zhuǎn)彈性力來進(jìn)行研究，分析起來較為簡(jiǎn)單，已經(jīng)得到較好的解決。

第二類是氣動(dòng)彈性動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性問題，也就是顫振問題，這類問題是目前的研究重點(diǎn)，是槳葉在氣動(dòng)力影響下，產(chǎn)生一系列大幅值振蕩或具有發(fā)散特性的撓曲。它可使飛行器結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)葉片破壞，建筑物和橋梁倒塌。

3、就空氣動(dòng)力學(xué)方面產(chǎn)生的原因而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振問題可分為兩類：

第一類顫振問題與氣流分離和旋渦形成有關(guān)。這類顫振現(xiàn)象是風(fēng)力機(jī)的升力系統(tǒng)處于失速攻角附近所產(chǎn)生的氣動(dòng)彈性失穩(wěn)現(xiàn)象。這類顫振還會(huì)出現(xiàn)在具有非流線型剖面的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑及某些高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上。這類顫振有時(shí)稱之為“馳振 （galloping）”或“失速顫振 （stall flutter）”。

第二類顫振由于發(fā)生在勢(shì)流中，因此氣流分離和邊界層效應(yīng)對(duì)顫振過程沒有重要影響。這類顫振是風(fēng)機(jī)葉片扭轉(zhuǎn)和揮舞產(chǎn)生的自激不穩(wěn)定振動(dòng)，其基本特點(diǎn)是流動(dòng)基本附著無明顯分離。它發(fā)生的條件是結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)流體動(dòng)力與彈性位移之間有相位差，因而使振動(dòng)的結(jié)構(gòu)有可能從氣（或液）流中吸收能量而擴(kuò)大振幅。這類顫振主要發(fā)生在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)的流線型剖面升力系統(tǒng)中，通常稱為“經(jīng)典顫振”。影響風(fēng)機(jī)葉片顫振的因素很多，主要包括風(fēng)輪葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)、來流特性和風(fēng)輪葉片所受的氣動(dòng)力。

二、國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片顫振研究現(xiàn)狀

顫振分析一般涉及彈性葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征與葉片周圍非定常氣流場(chǎng)特征的描述以及二者之間相互耦合機(jī)理的分析，因此，葉片顫振邊界的預(yù)測(cè)和顫振特性的分析是一項(xiàng)非常困難的工作。

我國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片顫振抑制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，宋兆泓對(duì)內(nèi)蒙牧民用的50W雙葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片振動(dòng)故障進(jìn)行分析，確認(rèn)其故障原因是流體誘發(fā)的顫振引起的。為了排除故障，主要從防顫方面著手，提高葉片固有頻率，改進(jìn)重扭心位置和提高成型的工藝質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)了兩種防顫的新葉型，即FD-01 型與FD-02型，并進(jìn)行了野外車載試驗(yàn)，證實(shí)了新型葉片防顫效果良好。因此在葉片設(shè)計(jì)中可通過適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布，改變固有頻率或限定風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使葉片的固有頻率避開系統(tǒng)的耦合振動(dòng)時(shí)的頻率的方法來預(yù)防顫振的發(fā)生。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)使其固有頻率略有改變，而且葉片在顫振時(shí)的固有頻率是系統(tǒng)的耦合振動(dòng)的頻率。但是一般情況下，系統(tǒng)的耦合振動(dòng)的頻率同靜止?fàn)顟B(tài)下單個(gè)葉片的自由振動(dòng)頻率很接近，所以單個(gè)葉片的動(dòng)力學(xué)分析及設(shè)計(jì)具有很重要的意義。當(dāng)葉片的固有頻率與激振力的頻率相同時(shí)就會(huì)發(fā)生共振，由于慣性不平衡力而引起的激振很難完全避免，因此在設(shè)計(jì)中可以改變?nèi)~片局部或全局結(jié)構(gòu)的剛度等使振動(dòng)盡可能減小，特別是要避免發(fā)生顫振。

在國(guó)外20世紀(jì)90年代引入射流達(dá)到減振效果的方法被提出，通過在葉片周圍流場(chǎng)加入適當(dāng)?shù)母蓴_來抑制分離流動(dòng)的發(fā)展，推遲葉片失速發(fā)生，達(dá)到降低葉片振動(dòng)的目的。引入射流的方法有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較流行的干擾方法。Seifert等在引入射流控制葉片振動(dòng)方面進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，并證明引入適量射流可以推遲失速的發(fā)生角度。金琰在S806風(fēng)力機(jī)翼型背部部分引入射流的減振技術(shù)，采用流固耦合的數(shù)值計(jì)算方法研究了其在大攻角（15°-50°）范圍的顫振，結(jié)果表明了在翼型背部引入射流會(huì)降低振動(dòng)，并基本上不影響翼型的升力系數(shù)。

除以上兩種方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性問題以及其顫振抑制技術(shù)上的研究不勝枚舉。

1、Lbitz D W基于葉片的彈性FEM方程和非定常氣動(dòng)力模型研究經(jīng)典顫振特性，但是僅限于靜止風(fēng)速下的旋轉(zhuǎn)葉片；

2、 Chaviaropoulos P基于葉片 FEM 方程研究揮舞 - 擺振葉片的顫振行為，重點(diǎn)研究的是揮舞 - 擺陣葉片的動(dòng)力失速特性；

3、 李林凌對(duì)風(fēng)機(jī)葉片及周圍氣體進(jìn)行有限元分析推導(dǎo)出了風(fēng)機(jī)葉片與周圍氣體耦合微分方程模型，利用模態(tài)分析理論對(duì)風(fēng)機(jī)葉片顫振、噪聲輻射等情況進(jìn)行分析，研究風(fēng)機(jī)葉片與周圍流體耦合對(duì)葉片顫振、聲輻射的影響，得到風(fēng)機(jī)葉片耦合頻率特性規(guī)律；

4、 黎少輝利用流固耦合特性，探討了氣動(dòng)力脈動(dòng)和風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，尋找失速顫振的頻率，有利于探明失速顫振的機(jī)理；

5、楊樹蓮介紹了智能材料用于飛行器葉片結(jié)構(gòu)的顫振主動(dòng)抑制例子及其效果分析，并提出了智能材料作為驅(qū)動(dòng)器埋入復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)，做成智能夾層在大型風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)顫振主動(dòng)控制應(yīng)用中的發(fā)展方向；

6、劉虎平研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片典型剖面模型，本模型可以簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和快捷地獲得失速顫振特性的主要結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)影響參數(shù)，是驗(yàn)證葉片揮舞/擺陣氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性常用的一種有效的結(jié)構(gòu)模型。通過該模型劉虎平研究了風(fēng)力機(jī)葉片的彎扭耦合顫振問題，建立了葉型顫振模型及其運(yùn)動(dòng)微分方程，得出了葉片顫振的穩(wěn)定性判據(jù)，驗(yàn)證了研究風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)彈性動(dòng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵工作在于確定氣動(dòng)阻尼矩陣和氣動(dòng)剛度矩陣，并采用龍格-庫(kù)塔方法分別求解了5種不同風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)微分方程，通過葉片運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化趨勢(shì)，證明了其葉片氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析方法的正確性和有效性；

7、梁明軒根據(jù)葉片翼型數(shù)據(jù)，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(fēng)流場(chǎng)，通過對(duì)葉片模態(tài)分析，得到葉片各階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)葉片振動(dòng)主要有扭轉(zhuǎn)、揮舞、擺振，以及三者之間的耦合。對(duì)于葉片氣動(dòng)彈性問題進(jìn)行研究，建立葉片顫振方程，確定葉片顫振發(fā)散條件。

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