羊森林，趙 萍，鐘賢和，李 杰（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

離心力對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)性能的影響分析

羊森林，趙 萍，鐘賢和，李 杰
（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

基于某兆瓦級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，研究了離心力引起的剛化效應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果表明，離心力將使葉片的低階固有頻率顯著增加，葉片的位移變形和應(yīng)變顯著減小，同時(shí)在一定程度上提升了葉片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。分析結(jié)果對后續(xù)風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)具有參考和借鑒意義。

風(fēng)電葉片；離心剛化；頻率；應(yīng)變；結(jié)構(gòu)性能

0 引言

葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，隨機(jī)組功率等級(jí)和風(fēng)輪直徑的不斷增加，葉片的結(jié)構(gòu)安全性能受到了廣泛關(guān)注，并有許多學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究[1-4]。風(fēng)輪通常以一定角速度旋轉(zhuǎn)做功，葉片因此受到離心力作用。在離心力作用下，葉片出現(xiàn)離心剛化現(xiàn)象，葉片的振動(dòng)頻率將變大[5]。Kane T.R等人[6]發(fā)現(xiàn)懸臂梁旋轉(zhuǎn)時(shí)擺振頻率變大，提出了動(dòng)力剛化效應(yīng)。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，葉片的旋轉(zhuǎn)速度越快，剛化效應(yīng)越明顯，頻率增大越顯著。另外，葉片的離心剛化效應(yīng)將直接影響葉片的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而關(guān)系著整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全性，因此葉片的離心剛化效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。Li Jing等人[7]較為系統(tǒng)地研究了離心剛化效應(yīng)與葉片長度、轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，以及離心力對葉片頻率的影響。陳小波等[8]還研究了離心剛化效應(yīng)對旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)態(tài)特性的影響。

目前相關(guān)研究主要集中于離心剛化效應(yīng)對葉片頻率的影響，而在離心剛化效應(yīng)對葉片結(jié)構(gòu)性能影響方面的研究相對較少。因此，該文基于某兆瓦級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，根據(jù)Bladed仿真軟件計(jì)算的機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下（14.2r/min）某工況葉片揮舞方向的載荷（My_max），較系統(tǒng)地研究了離心力Fz對葉片頻率、位移變形、應(yīng)變以及穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能的影響。研究表明，由于離心力對葉片結(jié)構(gòu)的剛化效應(yīng)，葉片的低階固有頻率顯著增加，葉片的位移變形以及應(yīng)變顯著減小，同時(shí)還在一定程度上提升了葉片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 葉片有限元模型及計(jì)算方法

基于某兆瓦級(jí)大型風(fēng)電機(jī)組葉片，采用4節(jié)點(diǎn)殼單元和8節(jié)點(diǎn)體單元聯(lián)合建立了較為準(zhǔn)確的有限元模型，共約10萬個(gè)單元、10萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。葉片鋪層完全參照設(shè)計(jì)工藝文件、材料性能參數(shù)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測試結(jié)果設(shè)置。該葉片有限元模型已經(jīng)過葉片靜力加載試驗(yàn)驗(yàn)證（試驗(yàn)加載如圖2所示），模型準(zhǔn)確，具有較高的計(jì)算精度。

圖1　葉片有限元模型

圖2　葉片靜力加載試驗(yàn)

計(jì)算分析采用了大型結(jié)構(gòu)分析軟件MSC.Patran/Nastran，將葉片葉根節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度約束，施加某揮舞工況（My_max）的6個(gè)載荷分量（Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz），分析了離心力Fz對葉片頻率、位移變形、應(yīng)變以及穩(wěn)定性的影響。在 My_max揮舞工況下，葉片壓力側(cè)（PS）殼體受拉伸、吸力側(cè)（SS）

殼體受壓縮。

2 離心力對葉片頻率的影響

用有限元分析軟件分別對葉片的正則模態(tài)和考慮離心力的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。在考慮離心力時(shí)，首兇將葉片離心力作為預(yù)應(yīng)力施加到葉片模型上，然后進(jìn)行模態(tài)分析。表1為葉片離心力對其頻率影響的對比結(jié)果。由表1可知，葉片在離心力作用下，其低階振動(dòng)頻率顯著增大：揮舞一階頻率增大約 14.3%，擺振一階頻率增大約5.9%；離心力對葉片的高階振動(dòng)頻率影響相對較小，扭振頻率略有降低。根據(jù)分析，離心力還會(huì)使葉片振動(dòng)駐點(diǎn)發(fā)生略微變化。

在離心力作用下，葉片結(jié)構(gòu)在一定程度上發(fā)生剛化效應(yīng)，從而使葉片的頻率增加。根據(jù)式（1），梁的頻率將隨著離心力的增加而增加[5]，通常可將葉片模型簡化為懸臂梁，因此葉片頻率在離心力作用下也將增加。

式中，ωn軸——離心力作用下的頻率；ωn基——梁的固有頻率；N——軸向力（軸向拉伸為正、軸向壓縮為負(fù)）；L——梁的長度；A——梁的截面積；n——為轉(zhuǎn)速；ρ——密度。

表1　離心力對葉片頻率的影響

3 離心力對葉片位移變形的影響

在有限元模型中，分別施加My_max工況下包含離心力Fz的6個(gè)載荷分量（Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz）以及不含離心力Fz的5個(gè)載荷分量（Mx、My、Mz、Fx、Fy）計(jì)算了葉片的位移變形，葉片的位移變形云圖如圖3所示。葉片在整個(gè)長度方向的豎直位移變形曲線對比如圖4所示。由圖4可知，不施加離心力載荷分量Fz時(shí)，葉尖位移約為9.85m，當(dāng)施加離心力載荷分量Fz時(shí)，葉片在整個(gè)長度方向的豎直位移都顯著減小，葉尖位移7.88m，減小約20%。

圖3　離心力對葉片位移變形的影響

由圖4可知，離心力對葉片葉根段位移變形影響相對較小，葉片截面越靠近葉尖，位移減小幅度越大。

圖4　離心力對葉片位移變形曲線的影響對比

4 離心力對葉片應(yīng)變的影響

在有限元模型中，分別計(jì)算了My_max揮舞工況下，含離心力Fz以及不含離心力Fz時(shí)葉片殼體的應(yīng)變。表2列出了葉片殼體沿葉片長度方向最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變及其位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖5和圖6為離心力對葉片殼體表面應(yīng)變云圖的影響對比。由表2可知，在離心力作用下，葉片殼體應(yīng)變顯著減小，同時(shí)葉片的應(yīng)變云圖分布也發(fā)生了明顯變化，PS側(cè)殼體最大拉應(yīng)變由3752μm/m（微應(yīng)變）減小到3228μm/m，降低約14%，最大拉應(yīng)變截面位置由L=19.9m變?yōu)長=5.0m；SS側(cè)殼體最大壓應(yīng)變由-4154μm/m減小到-3203μm/m，降低約 23%，最大壓應(yīng)變截面位置由 L=20.3m變?yōu)長=11.8m。

表2　離心力對葉片殼體沿長度方向拉壓應(yīng)變的影響

圖5　離心力對葉片PS殼體表面拉伸應(yīng)變云圖的影響

圖6　離心力對葉片SS殼體表面壓縮應(yīng)變云圖的影響

離心力對葉片殼體主梁帽區(qū)域應(yīng)變的影響詳見圖7和表3。由圖7和表3可知，在離心力作用下，整個(gè)葉片殼體主梁帽區(qū)域的拉伸和壓縮應(yīng)變都顯著減小，SS側(cè)殼體主梁帽的壓縮應(yīng)變減小幅度相對較大，主梁帽局部位置應(yīng)變減小幅度最大達(dá)到 28%左右。離心力的應(yīng)力剛化效應(yīng)是導(dǎo)致葉片殼體應(yīng)變減小的主要原因，應(yīng)變的變化趨勢與葉片位移的變化趨勢相吻合。

圖7　離心力對葉片主梁帽區(qū)域拉伸應(yīng)變的影響

表3 離心力對葉片殼體主梁帽區(qū)域應(yīng)變的影響對比

5 離心力對葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

在有限元模型中，分別施加包含離心力Fz的6個(gè)載荷分量以及不含離心力Fz的5個(gè)載荷分量計(jì)算了葉片的穩(wěn)定性，葉片的失穩(wěn)屈曲云圖如圖8和圖9所示。不施加離心力載荷分量時(shí)，葉片的失穩(wěn)載荷系數(shù)為2.317（即當(dāng)載荷達(dá)到2.317倍施加載荷時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)），失穩(wěn)位置為葉片L=5.3m截面SS側(cè)前緣殼體，如圖8所示；當(dāng)同時(shí)施加離心力載荷分量時(shí)，葉片的失穩(wěn)載荷系數(shù)為 2.471，增加約 6.7%，失穩(wěn)位置仍在葉片L=5.3m截面SS側(cè)前緣殼體，如圖9所示。由此可知，在離心力的作用下，葉片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高。

圖8　無離心力時(shí)葉片SS側(cè)殼體的失穩(wěn)屈曲云圖

圖9　含離心力時(shí)葉片SS側(cè)殼體的失穩(wěn)屈曲云圖

6 結(jié)論

通過分析可知，該兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組葉片在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，由于離心力對葉片結(jié)構(gòu)的剛化效應(yīng)，葉片的低階固有頻率顯著增加，揮舞一階頻率增加約14%，擺振一階頻率增加約6%；離心力使葉片的位移變形以及應(yīng)變顯著減小，葉尖位移減小約 20%，葉片最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別減小約14%和23%，同時(shí)最大應(yīng)變的區(qū)域也發(fā)生了改變；另外離心力還使葉片的失穩(wěn)臨界載荷提高約6.7%。但通常在葉片結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)中，無法充分考慮離心力對葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，因此在葉片設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)應(yīng)充分考慮離心力載荷對葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，以保證設(shè)計(jì)葉片的結(jié)構(gòu)安全性。

另外，由于葉片離心力的大小主要決定于旋轉(zhuǎn)角速度以及葉片自身的質(zhì)量分布，因而在葉片生產(chǎn)過程中應(yīng)對影響葉片質(zhì)量分布的操作環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)栺控制，以避免葉片在旋轉(zhuǎn)工作時(shí)的實(shí)際離心力與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生較大偏差，從而影響葉片運(yùn)行的結(jié)構(gòu)安全性。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免機(jī)組發(fā)生共振，在考慮葉片靜態(tài)固有頻率的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮葉片隨著風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)頻率變化。

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羊森林（1985-），2009年6月畢業(yè)于四川大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)相關(guān)工作，工程師。

審稿人：呂桂萍

The Analysis of the Effects of Centrifugal Force on the Wind Turbine Blade Structural Properties

YANG Senlin, ZHAO Ping, ZHONG Xianhe, LI Jie
(Dongfang Electric Group Dongfang Turbine Co., ltd., Deyang 618000, China)

The effects of stiffening caused by the rotating centrifugal force on the blade structural properties were studied, basing on one type of MW wind turbine blade. The results show that the natural frequency of blade increase significantly, the displacements and strains decrease obviously due to the effects of rotating centrifugal force. Meanwhile, the blade structure stability was enhanced to some extent. The analysis results have good reference to the design of wind turbine blades in future.

wind turbine blade; centrifugal stiffening; frequency; strain; structural properties

TM315

A

1000-3983(2016)03-0054-04

2014-12-04

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（2014GZ0084）