蔣維

（中國(guó)水利電力物資有限公司，北京 100045）

風(fēng)力機(jī)葉片成本大約占整臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的1/5，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)風(fēng)力機(jī)組設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中計(jì)算的載荷，并考慮機(jī)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的影響，如風(fēng)沙、低溫結(jié)冰等問題[1]，使葉片具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證葉片在規(guī)定的使用環(huán)境條件下，在其使用壽命周期內(nèi)不發(fā)生損壞[2]。因此風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)分析對(duì)于控制風(fēng)力機(jī)的生產(chǎn)成本、提高工作效率以及使用壽命等具有非常重要的意義。風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析主要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼和振型圖。通過固有頻率、阻尼和振型圖，可以對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行振動(dòng)故障診斷、結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測(cè)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化，從而可以有效提高風(fēng)力機(jī)葉片的效率和性能、延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)葉片的使用壽命[3]。獲取風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率以后，在風(fēng)力機(jī)工作的時(shí)候，則可以將風(fēng)力機(jī)的激振頻率與風(fēng)力機(jī)葉片的固有頻率錯(cuò)開，可以避免風(fēng)力機(jī)發(fā)生共振，有效提高風(fēng)力機(jī)的性能、改善運(yùn)行環(huán)境。在風(fēng)力機(jī)葉片的各種振動(dòng)特性分析方法中，模態(tài)分析是被廣泛采用的一種手段[2-3]。目前對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析方法比較少，因此采用了風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析裝置對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得出了相應(yīng)模態(tài)參數(shù)，可以作為風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)[4]。

1 理論基礎(chǔ)

風(fēng)力機(jī)葉片一端跟輪轂剛性連接，而另一端為自由端，是模態(tài)分析試驗(yàn)中，將風(fēng)力機(jī)葉片簡(jiǎn)化成懸臂梁，將一端固定，在自由端激勵(lì)[5-6]。對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片，在自由端某一點(diǎn)P點(diǎn)激勵(lì)，葉片上響應(yīng)L點(diǎn)的測(cè)量響應(yīng)的實(shí)模態(tài)頻響函數(shù)可表示如下

試驗(yàn)中采用的是加速度傳感器測(cè)得響應(yīng)的加速度響應(yīng)，分別測(cè)出葉片結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的Hilp（w）值（l=1，2，…，L）則可得第r階模態(tài)振型系數(shù)矩陣陣列，如式（3）所示

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

在風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)試驗(yàn)中搭建了一種用于風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析裝置，其模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。它包括激勵(lì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)底座、夾具、葉片（5 m）、控制臺(tái)、偏心電機(jī)加載裝置、DH-5922動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、電腦。用DHDAS_5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集、存儲(chǔ)加速度觸感器所測(cè)的信號(hào)然后導(dǎo)入到DHMA模態(tài)分析軟件中為對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片相應(yīng)模態(tài)分析。加速度傳感器均勻布置在葉片上，為了較為準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)得葉片的揮舞振動(dòng)和擺振頻率應(yīng)在同1個(gè)截面上布置2個(gè)不同方向的傳感器，1~15測(cè)點(diǎn)測(cè)試揮舞方向的振動(dòng)，16~30測(cè)點(diǎn)測(cè)試擺振方向的振動(dòng)，其加速度傳感器布置示意圖見圖2。激勵(lì)系統(tǒng)采用力錘和偏心電機(jī)。力錘作為激勵(lì)源采用測(cè)力法和不測(cè)力法測(cè)試相應(yīng)模態(tài)參數(shù)，而偏心電機(jī)做激勵(lì)源用共振法測(cè)試葉片固有頻率。錘子和力傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成一件儀器，在測(cè)力法中為了確保力錘產(chǎn)生一種脈沖激勵(lì)信號(hào)，可以在動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)仔細(xì)監(jiān)視輸入的激勵(lì)力信號(hào)，通過預(yù)覽平均的辦法將受到干擾的力信號(hào)剔除，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最終精度。

偏心電機(jī)用夾具固定在葉片上，偏心電機(jī)和夾具間裝有彈簧，它能將激振力傳遞給葉片，偏心正弦激勵(lì)具有較好的信噪比、峰值有效值比以及同樣的非線性檢測(cè)特性。

3 測(cè)試結(jié)果

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 of experiment system for vibration characteristic analysis of wind turbine blade

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 of test points arrangement for accelerometers on wind turbine blade

模態(tài)分析分為測(cè)力法和不測(cè)力法。測(cè)力法（頻響函數(shù)法）是經(jīng)典的模態(tài)分析方法，引入了自動(dòng)控制理論中的傳遞函數(shù)（或頻率響應(yīng)函數(shù)）概念，傳遞函數(shù)反映系統(tǒng)的是輸入與輸出之間的關(guān)系，反映系統(tǒng)的固有特性，根據(jù)傳遞函數(shù)來辨識(shí)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。其測(cè)力法測(cè)試風(fēng)力機(jī)葉片在DHDAS_5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)15頻響函數(shù)窗口顯示如圖3所示。雖然測(cè)力法（環(huán)境激勵(lì)法）測(cè)量得到模態(tài)結(jié)果比不測(cè)力法的得到的結(jié)果要準(zhǔn)確，但是對(duì)于大型結(jié)構(gòu)如房屋建筑、大型橋梁等，結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行人為激勵(lì)，而且環(huán)境激勵(lì)力也無法測(cè)量的情況下，只能利用響應(yīng)信號(hào)來辨識(shí)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。不測(cè)力法中傳遞率的計(jì)算方法與測(cè)力法德頻響函數(shù)類似，用參考通道的參考點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)代替了頻響函數(shù)算法中的力信號(hào)。其不測(cè)力法測(cè)試葉片在分析軟件中時(shí)間曲線窗口顯示測(cè)點(diǎn)12~15的時(shí)間曲線窗口如圖4所示。

圖3 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)15頻響函數(shù)窗口Fig.3 Frequency response function window of No.15 test point in dynamic signal acquisition and analysis system

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，測(cè)力法和不測(cè)力法均可以使用，兩者在實(shí)驗(yàn)操作方法上沒有很大區(qū)別。風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)試驗(yàn)的最終目的得出了該系統(tǒng)的幅頻特性曲線，DHMA模態(tài)分析軟件得出幅頻特性曲線如下圖5所示。利用頻率域內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，有完整的輸入輸出數(shù)據(jù)，模態(tài)可靠性高。目前投入運(yùn)行的5 MW風(fēng)力機(jī)，葉片長(zhǎng)度達(dá)到60 m左右,應(yīng)注意在測(cè)量大型風(fēng)力機(jī)葉片時(shí)，力錘激勵(lì)能量小，可能不能使得整個(gè)葉片結(jié)構(gòu)激振起來，離激勵(lì)點(diǎn)較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)過小、信噪比差，造成相干函數(shù)低于0.9。若加大力錘激振力，激勵(lì)點(diǎn)附近的測(cè)點(diǎn)可能信號(hào)過載，造成非線性現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀相應(yīng)通道指示燈顯示紅燈即為過載。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)密切監(jiān)測(cè)相干函數(shù)窗口和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀指示燈以確保模態(tài)試驗(yàn)精度。

圖4 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)12-15的時(shí)間曲線窗口Fig.4 Accelerometer to time curves window for No.12-15 test points in dynamic signal acquisition and analysis system

圖5 模態(tài)分析軟件幅頻特性曲線窗口Fig.5 Amplitude-frequency curve window in modal analysis system

測(cè)力法和不測(cè)力法利用系統(tǒng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，固有頻率、阻尼和模態(tài)陣型3個(gè)模態(tài)參數(shù)能夠滿足風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的要求。固有頻率和阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。不測(cè)力法測(cè)試風(fēng)力機(jī)葉片振型圖如圖8~11所示。

共振法利用共振原理測(cè)試葉片固有頻率，風(fēng)力機(jī)葉柵動(dòng)力特性試驗(yàn)臺(tái)的控制臺(tái)上設(shè)有與偏心電機(jī)相連的變頻器，可以方便控制偏心電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有顯著的優(yōu)越性，電機(jī)與變頻器集成為一體對(duì)葉片激勵(lì)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

在控制臺(tái)上按下變頻器頻率增加按鈕或減少按鈕來控制偏心電機(jī)激勵(lì)，在DHDAS_5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)上面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度傳感器上響應(yīng)信號(hào)，應(yīng)注意每改變一次頻率，都必須等待信號(hào)平穩(wěn)后測(cè)量。由圖2中可以得出每各階固有頻率，粗略找到各共振峰的位置。由于偏心電機(jī)激勵(lì)裝置的質(zhì)量影響，實(shí)驗(yàn)得出的各階固有頻率與圖2測(cè)力法得出的頻率略微下降。

圖6 葉片固有頻率測(cè)試結(jié)果圖示Fig.6 Natural frequencies tested for the blade

圖7 葉片阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果圖示Fig.7 Damping coefficients tested for the blade

圖8 一階揮舞振型圖Fig.8 Vibration shape of the first-order flap

圖9 二階擺振振型圖Fig.9 Vibration shape of the second-order lead-lag

圖10 三階揮舞和擺振耦合振型圖Fig.10 Vibration shape of the coupling third-order flap/lead-lag

圖11 四階揮舞和擺振耦合振型圖Fig.11 Vibration shape of the coupling fourth-order flap/lead-lag

4 結(jié)論

本文利用大型風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性分析裝置，用力錘激勵(lì)和偏心正弦激勵(lì)并采用不同的實(shí)驗(yàn)原理對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

1）通過模態(tài)試驗(yàn)得出了相應(yīng)模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼和振型）。從圖5~6可以得出用測(cè)力法和不測(cè)力法測(cè)得的模態(tài)參數(shù)基本一致。從圖7~10振型圖可以得出風(fēng)力機(jī)葉片一階振動(dòng)為一階揮舞振動(dòng)，二階振動(dòng)為一階擺振，三階、四階等其他高階振動(dòng)為揮舞和擺振等振動(dòng)形態(tài)的耦合振動(dòng)。

2）通過不測(cè)力法、測(cè)力法和共振法驗(yàn)證了該葉片在三階模態(tài)頻率20.02 Hz附近具有最大振幅，在三階模態(tài)陣型振動(dòng)位移是一階模態(tài)振動(dòng)位移的3倍，應(yīng)盡量避開此階危險(xiǎn)頻率。

3）隨著風(fēng)力機(jī)葉片固有頻率增加，阻尼遞減，一階阻尼是二階阻尼的2倍。結(jié)構(gòu)阻尼在葉片振動(dòng)由于變形引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的摩擦產(chǎn)生的阻尼，它對(duì)防止葉片的失速顫振及揮舞擺振起了關(guān)鍵作用，因此在葉片設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這個(gè)特點(diǎn)。

4）在風(fēng)力機(jī)葉片模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試中共振法激勵(lì)設(shè)備也參與了振動(dòng)，對(duì)振動(dòng)頻率值有影響。不測(cè)力法不需要測(cè)量激勵(lì)力，適合于很難人工激勵(lì)的大型工程結(jié)構(gòu)，對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)葉片其質(zhì)量大，一階固有頻率低，可選用此方法。測(cè)力法同時(shí)測(cè)量了激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)，而且本試驗(yàn)系統(tǒng)中葉片一階固有頻率較高，模態(tài)易激勵(lì)，因此，測(cè)力法測(cè)量得到的模態(tài)結(jié)果比不測(cè)力法得到的結(jié)果要準(zhǔn)確。

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