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

一、風(fēng)力發(fā)電機葉片顫振產(chǎn)生原理

大型風(fēng)力機是一個復(fù)雜的流-固耦合系統(tǒng)，細而長的葉片具有無窮多個彎曲和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)，隨機流動的空氣作用在葉片上，除了產(chǎn)生空氣動力帶動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，還會使風(fēng)機產(chǎn)生氣動彈性問題，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)機結(jié)構(gòu)圖

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

1、葉片在氣動力、重力和離心力作用下，其主要振動形式有：

揮舞，是指葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動；

擺振，是指葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動；

扭轉(zhuǎn)，是指葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)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。顫振又稱為“氣動彈性不穩(wěn)定”。

2、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(zhuǎn)彈性力來進行研究，分析起來較為簡單，已經(jīng)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，這類問題是目前的研究重點，是槳葉在氣動力影響下，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)機葉片破壞，建筑物和橋梁倒塌。

3、就空氣動力學(xué)方面產(chǎn)生的原因而言，風(fēng)力發(fā)電機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)力機的升力系統(tǒng)處于失速攻角附近所產(chǎn)生的氣動彈性失穩(wěn)現(xiàn)象。這類顫振還會出現(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)機械上。這類顫振有時稱之為“馳振 （galloping）”或“失速顫振 （stall flutter）”。

第二類顫振由于發(fā)生在勢流中，因此氣流分離和邊界層效應(yīng)對顫振過程沒有重要影響。這類顫振是風(fēng)機葉片扭轉(zhuǎn)和揮舞產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有可能從氣（或液）流中吸收能量而擴大振幅。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)機葉片顫振的因素很多，主要包括風(fēng)輪葉片的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)、來流特性和風(fēng)輪葉片所受的氣動力。

二、國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機葉片顫振研究現(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(yù)測和顫振特性的分析是一項非常困難的工作。

我國對風(fēng)機葉片顫振抑制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，宋兆泓對內(nèi)蒙牧民用的50W雙葉風(fēng)力發(fā)電機葉片振動故障進行分析，確認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，改進重扭心位置和提高成型的工藝質(zhì)量要求，設(shè)計了兩種防顫的新葉型，即FD-01 型與FD-02型，并進行了野外車載試驗，證實了新型葉片防顫效果良好。因此在葉片設(shè)計中可通過適當(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)機的轉(zhuǎn)速，使葉片的固有頻率避開系統(tǒng)的耦合振動時的頻率的方法來預(yù)防顫振的發(fā)生。

風(fēng)力發(fā)電機在運行中，葉片的旋轉(zhuǎn)會使其固有頻率略有改變，而且葉片在顫振時的固有頻率是系統(tǒng)的耦合振動的頻率。但是一般情況下，系統(tǒng)的耦合振動的頻率同靜止?fàn)顟B(tài)下單個葉片的自由振動頻率很接近，所以單個葉片的動力學(xué)分析及設(shè)計具有很重要的意義。當(dāng)葉片的固有頻率與激振力的頻率相同時就會發(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)計中可以改變?nèi)~片局部或全局結(jié)構(gòu)的剛度等使振動盡可能減小，特別是要避免發(fā)生顫振。

在國外20世紀(jì)90年代引入射流達到減振效果的方法被提出，通過在葉片周圍流場加入適當(dāng)?shù)母蓴_來抑制分離流動的發(fā)展，推遲葉片失速發(fā)生，達到降低葉片振動的目的。引入射流的方法有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、控制方便等優(yōu)點，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方面進行了一系列的試驗，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降低振動，并基本上不影響翼型的升力系數(shù)。

除以上兩種方法，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)力機葉片氣動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，重點研究的是揮舞 - 擺陣葉片的動力失速特性；

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

4、 黎少輝利用流固耦合特性，探討了氣動力脈動和風(fēng)機葉片結(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)的顫振主動抑制例子及其效果分析，并提出了智能材料作為驅(qū)動器埋入復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)，做成智能夾層在大型風(fēng)力機葉片結(jié)構(gòu)顫振主動控制應(yīng)用中的發(fā)展方向；

6、劉虎平研究了風(fēng)力發(fā)電機葉片典型剖面模型，本模型可以簡單、經(jīng)濟和快捷地獲得失速顫振特性的主要結(jié)構(gòu)和氣動影響參數(shù)，是驗證葉片揮舞/擺陣氣動彈性穩(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)力機葉片的彎扭耦合顫振問題，建立了葉型顫振模型及其運動微分方程，得出了葉片顫振的穩(wěn)定性判據(jù)，驗證了研究風(fēng)力機葉片氣動彈性動穩(wěn)定性的關(guān)鍵工作在于確定氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣，并采用龍格-庫塔方法分別求解了5種不同風(fēng)速時風(fēng)力機葉片運動微分方程，通過葉片運動規(guī)律的變化趨勢，證明了其葉片氣動彈性穩(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，通過對葉片模態(tài)分析，得到葉片各階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)葉片振動主要有扭轉(zhuǎn)、揮舞、擺振，以及三者之間的耦合。對于葉片氣動彈性問題進行研究，建立葉片顫振方程，確定葉片顫振發(fā)散條件。

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