大型風(fēng)電葉片的模態(tài)測(cè)試與數(shù)值模擬

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1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)流體機(jī)械學(xué)術(shù)會(huì)議論文編號(hào)：087074大型風(fēng)電葉片的模態(tài)測(cè)試與數(shù)值模擬111毛火軍，石可重，李宏利（中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190）(Tel:010-825430399,Email:maohuojun@etp.ac.cn)摘要：近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越向大型化方向發(fā)展，葉片長(zhǎng)度迅速增大，這使得風(fēng)電葉片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究越來(lái)越重要。本文利用中科院工程熱物理所與保定國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)基地合作建立的風(fēng)電葉片檢測(cè)平臺(tái)對(duì)某MW級(jí)風(fēng)電葉片進(jìn)行了全尺寸模態(tài)試驗(yàn)的研究。試驗(yàn)采用不測(cè)力法，分揮舞和擺振兩個(gè)方向?qū)θ~

2、片的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。將采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理，得到葉片的振動(dòng)特性。之后針對(duì)大型風(fēng)電葉片的特點(diǎn)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并在此基礎(chǔ)上建立葉片計(jì)算模型，利用有限元方法對(duì)葉片的模態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到葉片的振動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)有限元模態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果的比較，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。最后，分析了兩種模態(tài)分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為有限元方法在葉片檢測(cè)和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供有力參考。關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；模態(tài)測(cè)試；數(shù)值模擬0.前言近年來(lái)隨著葉片長(zhǎng)度的增大，葉片柔度也開(kāi)始增加。這使得葉片的失穩(wěn)問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。另外，葉片的失效在很多情

3、況下都?xì)w因于共振應(yīng)力所引起的疲勞。如果要延長(zhǎng)葉片壽命，則必須降低葉片共振動(dòng)應(yīng)力。這些都使得風(fēng)電葉片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究越來(lái)越重要。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)最常用的方法。一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以分解為一系列離散的模態(tài)的形式。這些模態(tài)參數(shù)包括：模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼、模態(tài)振型等。模態(tài)分析分為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和計(jì)算模態(tài)分析兩種方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)兩者都有一些研究，但由于現(xiàn)代風(fēng)電葉片的尺寸大，成本高，因而現(xiàn)有的試驗(yàn)?zāi)B(tài)研究都是局限于長(zhǎng)度不超過(guò)1m[1]的小葉片上，對(duì)大型風(fēng)電葉片的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的研究還有所欠缺；在計(jì)算模態(tài)分析中，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的處理

4、也稍顯粗略。本文利用中科院工程熱物理所與保定國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)基地合作建立的風(fēng)電葉片檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行了1.5MW級(jí)38m風(fēng)電葉片的試驗(yàn)?zāi)B(tài)研究，并針對(duì)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上利用有限元方法進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析。最后本文對(duì)這兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了較為一致的結(jié)果。資助項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)(No.O612011811)1.試驗(yàn)測(cè)試1.1.檢測(cè)臺(tái)本次試驗(yàn)的試驗(yàn)件為1.5MW級(jí)風(fēng)電葉片，該葉片由中科院工程熱物理研究所設(shè)計(jì)，葉片長(zhǎng)度38m，重6噸。為了減小其他結(jié)構(gòu)對(duì)葉片振動(dòng)的影響，大型葉片的模態(tài)測(cè)

5、試對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的要求很高。本試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)采用用中科院工程熱物理所與保定國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)基地合作建立的風(fēng)電葉片檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行。此檢測(cè)臺(tái)最大葉片檢測(cè)長(zhǎng)度達(dá)65米，為目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)能力最大的檢測(cè)臺(tái)。圖1風(fēng)電葉片檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)1.2.測(cè)試方法與設(shè)備試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法可以分為頻響函數(shù)法（簡(jiǎn)稱測(cè)力法）和環(huán)境激勵(lì)法（簡(jiǎn)稱不測(cè)力法）兩種。對(duì)于小型葉片，由于其固有頻率高，易激勵(lì)，因而一般采用測(cè)力法進(jìn)行測(cè)量。考慮到本試驗(yàn)中葉片的質(zhì)量大，固有頻率低（設(shè)計(jì)一階揮舞頻率低于1Hz），模態(tài)不易激勵(lì)，最終選用不測(cè)力法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)所選取的測(cè)量方法，本試驗(yàn)選用江蘇東華

6、測(cè)試有限公司生產(chǎn)的DHDAS-3817動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)一臺(tái)來(lái)記錄振動(dòng)信號(hào)。該測(cè)試系統(tǒng)能同時(shí)記錄8個(gè)通道信號(hào)。運(yùn)動(dòng)傳感器使用DH610磁電式速度傳感器。該傳感器具有超低頻、大幅值測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍大，密封性能好，不需調(diào)零位等優(yōu)點(diǎn)。頻率響應(yīng)范圍0.1-100Hz。按照測(cè)量的運(yùn)動(dòng)方向的不同，該傳感器分為縱向傳感器和橫向傳感器兩種。[2]依據(jù)《IEC61400-23Full-ScaleStructuralTestingofWindTurbineBlades》標(biāo)準(zhǔn)和我[3]國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JBT10194-2000風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能葉

7、片標(biāo)準(zhǔn)》，風(fēng)電葉片一般需要測(cè)試揮舞方向1、2階，擺振方向1階固有頻率。由于測(cè)試通道和傳感器數(shù)量限制（縱向傳感器6個(gè)，橫向傳感器2個(gè)），并考慮到葉片的幾何形狀，將測(cè)試分為兩個(gè)方向進(jìn)行，前一次利用縱向傳感器測(cè)量揮舞模態(tài)，后一次利用橫向傳感器測(cè)量擺振模態(tài)。1.3.測(cè)試過(guò)程試驗(yàn)件的固定狀態(tài)為葉根通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)固支，相當(dāng)于懸臂梁，以模擬實(shí)際葉片的工作狀態(tài)。揮舞扭轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。共分兩批進(jìn)行測(cè)試，分別用首位編號(hào)1和2表示。圖2揮舞扭轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)點(diǎn)分布傳感器安裝完畢之后，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢查安裝狀況，并試采樣，調(diào)整傳感器到合

8、適檔位。檢查無(wú)誤后開(kāi)始采樣，采樣時(shí)間為600s。采樣完畢后移動(dòng)除參考點(diǎn)外的傳感器到預(yù)定位置，再次開(kāi)始采樣，采樣時(shí)間也是600s，采用頻率200Hz。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接地端要接地良好，以減小誤差。擺振模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布如圖所示。由于擺振傳感器數(shù)量較少（只有2個(gè)），所以試驗(yàn)分三批進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程中固定一個(gè)參考點(diǎn)，然后移動(dòng)另外一個(gè)傳感器。三批次一共能夠測(cè)試