加速度計自身質量對風力機葉片模態試驗結果的影響

吳春梅,張建軍,趙勇

(1.大慶師范學院物理與電氣信息工程學院,大慶163712;2.大慶油田供電公司,大慶163712)

WU Chun-mei1,ZHANG Jian-jun2,ZHAO Yong2

(1.Physical and E lectrical Engineering In formation,Daqing Normal University,Daqing 163712,China; 2.Daqing Oil Field Provides Electricity Com pany,Daqing 163712,China)

風力機葉片的振動性能直接影響到風輪的動載荷分布、可靠性及輻射噪聲等,葉片的振動性能常用模態試驗法分析,通過對振動信號的分析計算識別葉片的固有頻率、振型和阻尼比等模態參數,結合相關的軟件平臺能夠直觀地顯示葉片的基頻、振型和阻尼比,為葉片的優化設計提供指導[1-2]。對于葉片的振動性能模態試驗來說,削弱干擾因素的影響提高模態參數識別的精度是試驗的關鍵,為此必須有合適精度的試驗儀器和合適的試驗條件,但是報道文獻大多只考慮試驗儀器的精度,而忽略了試驗方法和條件的影響[3]。本文將分析單葉片模態試驗中約束條件、邊界條件、傳感器質量以及測試點分布等因素對模態參數識別的影響,通過試驗的改進提高試驗精度降低誤差,得到了比較理想的結果。

1 試驗方案

試驗選用自行設計的葉片翼型為NACA 4412,風輪半徑為0.6m,額定功率為100W葉片采用樟松木制作,表面粘有一層玻璃纖維材料,目的是提高葉片強度,設計后由呼和浩特博洋可再生能源有限公司加工制造。模態試驗的框圖見圖1。

圖1 模態測試系統流程圖

為了保證測量值精度,試驗采取了以下措施。

(1)合理布置測點 在試驗時,如果測點選擇得當,經過對測點的測試就能夠準確反映整個葉片的振動情況。由于葉片的一階頻率是引起葉片斷裂的主要原因,所以測點在葉根和葉尖部分分布較密,而在葉片的中間部位分布比較稀疏,如圖2。

(2)合理設定邊界條件和約束條件 在進行模態試驗分析時,首先要確定被測物體的固定方式。固定方式一般有兩種,一種是按照其實際工作狀況的方式約束,另一種是懸吊式[4];葉片在工作的過程中作旋轉運動,為了盡量模仿葉輪的工作狀態,本次試驗選用三抓卡盤作為夾具來約束葉片,即把單個葉片安裝在風輪上進行模態試驗,這樣測試結果更能解釋實際情況。另外,本次試驗將卡盤放置在海綿上進行試驗,目的是避免其他信號混入采集數據中,從而給試驗分析和后處理帶來分析偏差;由于經過測試卡盤的基頻率較低,而本次試驗測試的小風輪單葉片的固有頻率較高,故可忽略夾具對葉片模態試驗的影響。

圖2 單葉片的測點分布圖

(3)校準傳感器敏感軸與測量軸 風力機葉片表面是曲面,試驗中需要測量其Z方向的振動特性,安裝加速度傳感器時盡可能與XY平面垂直。

2 試驗結果

分別采用加速度傳感器14200和4375進行試驗,試驗結果表明,兩種傳感器測量到的葉片一階頻率差別較大,如圖3。從圖中可以看到,隨著加速度計安裝位置由葉根向葉尖方向移動葉片的一階固有頻率逐漸下降,特別是加速度計14200測到的頻率變化更明顯,最大誤差達到25.5 Hz,而加速度計4375測試的頻率卻變化較小,最大誤差僅有0.7 H z。

采用B&K公司提供的4375型加速度傳感器測試三葉片風輪上的三個單葉片,葉片前4階模態參數如表1。由于在試驗時三個葉片的振型一樣,只是頻率及阻尼比有所不同,因而在這里只列出B葉片的模態振型,如圖4。

圖中的(a)為一階揮舞振動,它是引起葉片根部斷裂的主要原因;(b)為彎曲扭轉振動,這是由于葉片較短而且大部分質量集中在葉根部分所致;圖中的(c)為二階揮舞振動;(d)為三階揮舞振動,一般很少發生。

圖3 兩個傳感器對單個葉片測定的結果

表1 葉片各階模態特性參數

圖4 B葉片的模態振型

3 試驗結果分析

本文采用模態試驗法中的單點激勵多點響應法采集葉片的振動信號,并利用輸出(響應)信號和輸入(激勵)信號的拉普拉斯變換之比確定模態參數。

葉片的頻率特性與它的質量和剛度分布有關,由于葉片的結構比較復雜,只能把它看作為單自由度桿件來處理,具有均布質量m b,集中質量m。

當m≥mb時桿件的等效質量me為[5]:

當m≤m b時:

葉片振動的固有頻率f:

式中:k為阻尼系數。

由于葉片較小質量較輕,加速度計自身的質量大小和安裝部位對葉片的集中質量影響較大,最后導致試驗結果出現一定的誤差,而且加速度計質量越大、安裝位置越靠近葉尖,加速度計質量造成的誤差越大。試驗采用的 14200型加速度計質量為15 g,4375型加速度計質量為2.4 g;可以看到傳感器質量下降84%,誤差降低37.9%,驗證了傳感器的質量大小對模態參數識別精度的影響很大。

4 結論

為了盡量模仿風輪的工作狀態,試驗選用三抓卡盤作為夾具來約束葉片,并將卡盤放置在海綿上避免其他信號混入采集數據中,可以減少試驗分析和后處理的偏差。由于風力機葉片的一階頻率是引起風力機葉片斷裂的主要原因,所以試驗測點分布在葉尖和葉根部分較密,而在中間部分較稀疏。從試驗結果的振型圖中可以看出各階振型和節點的分布合理,能夠比較準確地反映實際情況。試驗結果表明,加速度傳感器的,質量越大測定誤差越大,而且隨著傳感器布置位置從葉根向葉尖方向移動,測試到的葉片頻率逐漸下降,傳感器質量引起的誤差也越明顯。

[1] 李德源,葉枝全,包能勝,等.風力機旋轉風輪振動模態分析[J].太陽能學報,2004,25(1):72-77.

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