離心力對風力發(fā)電機組葉片結(jié)構(gòu)性能的影響分析

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

離心力對風力發(fā)電機組葉片結(jié)構(gòu)性能的影響分析

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

基于某兆瓦級大型風力發(fā)電機組，研究了離心力引起的剛化效應對風電機組葉片結(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變顯著減小，同時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)風電葉片的設計具有參考和借鑒意義。

風電葉片；離心剛化；頻率；應變；結(jié)構(gòu)性能

0 引言

葉片作為風力發(fā)電機組的關鍵部件之一，隨機組功率等級和風輪直徑的不斷增加，葉片的結(jié)構(gòu)安全性能受到了廣泛關注，并有許多學者在該領域進行了研究[1-4]。風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，葉片的振動頻率將變大[5]。Kane T.R等人[6]發(fā)現(xiàn)懸臂梁旋轉(zhuǎn)時擺振頻率變大，提出了動力剛化效應。風電機組在運行過程中，葉片的旋轉(zhuǎn)速度越快，剛化效應越明顯，頻率增大越顯著。另外，葉片的離心剛化效應將直接影響葉片的動力特性和結(jié)構(gòu)特性，進而關系著整個風電機組的安全性，因此葉片的離心剛化效應受到越來越多的關注。Li Jing等人[7]較為系統(tǒng)地研究了離心剛化效應與葉片長度、轉(zhuǎn)速間的關系，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對旋轉(zhuǎn)葉片動態(tài)特性的影響。

目前相關研究主要集中于離心剛化效應對葉片頻率的影響，而在離心剛化效應對葉片結(jié)構(gòu)性能影響方面的研究相對較少。因此，該文基于某兆瓦級大型風力發(fā)電機組葉片，根據(jù)Bladed仿真軟件計算的機組額定轉(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，葉片的低階固有頻率顯著增加，葉片的位移變形以及應變顯著減小，同時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算方法

基于某兆瓦級大型風電機組葉片，采用4節(jié)點殼單元和8節(jié)點體單元聯(lián)合建立了較為準確的有限元模型，共約10萬個單元、10萬個節(jié)點，如圖1所示。葉片鋪層完全參照設計工藝文件、材料性能參數(shù)根據(jù)實際試驗測試結(jié)果設置。該葉片有限元模型已經(jīng)過葉片靜力加載試驗驗證（試驗加載如圖2所示），模型準確，具有較高的計算精度。

圖1　葉片有限元模型

圖2　葉片靜力加載試驗

計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)點的6個自由度約束，施加某揮舞工況（My_max）的6個載荷分量（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)進行了計算分析。在考慮離心力時，首兇將葉片離心力作為預應力施加到葉片模型上，然后進行模態(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，離心力還會使葉片振動駐點發(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，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?？蓪⑷~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）；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個載荷分量（Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz）以及不含離心力Fz的5個載荷分量（Mx、My、Mz、Fx、Fy）計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，葉尖位移約為9.85m，當施加離心力載荷分量Fz時，葉片在整個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 離心力對葉片應變的影響

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

圖5　離心力對葉片PS殼體表面拉伸應變云圖的影響

圖6　離心力對葉片SS殼體表面壓縮應變云圖的影響

離心力對葉片殼體主梁帽區(qū)域應變的影響詳見圖7和表3。由圖7和表3可知，在離心力作用下，整個葉片殼體主梁帽區(qū)域的拉伸和壓縮應變都顯著減小，SS側(cè)殼體主梁帽的壓縮應變減小幅度相對較大，主梁帽局部位置應變減小幅度最大達到 28%左右。離心力的應力剛化效應是導致葉片殼體應變減小的主要原因，應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)域拉伸應變的影響

表3 離心力對葉片殼體主梁帽區(qū)域應變的影響對比

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個載荷分量以及不含離心力Fz的5個載荷分量計算了葉片的穩(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，葉片的失穩(wěn)載荷系數(shù)為2.317（即當載荷達到2.317倍施加載荷時，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；當同時施加離心力載荷分量時，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　無離心力時葉片SS側(cè)殼體的失穩(wěn)屈曲云圖

圖9　含離心力時葉片SS側(cè)殼體的失穩(wěn)屈曲云圖

6 結(jié)論

通過分析可知，該兆瓦級風電機組葉片在額定轉(zhuǎn)速下運行時，由于離心力對葉片結(jié)構(gòu)的剛化效應，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變顯著減小，葉尖位移減小約 20%，葉片最大拉應變和最大壓應變分別減小約14%和23%，同時最大應變的區(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)靜強度以及疲勞強度驗證試驗中，無法充分考慮離心力對葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，因此在葉片設計過程中，進行結(jié)構(gòu)強度校核時應充分考慮離心力載荷對葉片結(jié)構(gòu)性能的影響，以保證設計葉片的結(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)過程中應對影響葉片質(zhì)量分布的操作環(huán)節(jié)進行嚴栺控制，以避免葉片在旋轉(zhuǎn)工作時的實際離心力與設計值產(chǎn)生較大偏差，從而影響葉片運行的結(jié)構(gòu)安全性。在風電機組設計時，為了避免機組發(fā)生共振，在考慮葉片靜態(tài)固有頻率的同時，還應充分考慮葉片隨著風輪旋轉(zhuǎn)的動態(tài)頻率變化。

[1] LIAO Caicai, ZHAO Xiaolu, WANG Jianli, et al. Optimization Design of the Frequency Based on Wind Turbine Blade Layers[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(8):1311-1314.

[2] 靳交通, 潘利劍, 彭超義, 等. 風力機葉片截面彎曲剛度有限元分析方法[J]. 太陽能學報, 2013, 34(2): 196-200.

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[4] Mahmood M, Shokrieh, Roham Rafiee. Simulation of fatigue failure in a full composite wind turbine blade[J]. Composite Structures, 2006, 74(3): 332-342.

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[6] Kane T R, Ryan R R, Banerjee A k. Dynamics of a cantilever beam attached to a moving base[J]. Guidance Control and Dynamics, 1987, 10(2): 139-151.

[7] Li Jing, Chen Jianyun, Chen Xiaobo. Dynamic Characteristics Analysis of the Offshore Wind Turbine Blades[J]. Journal of Marine Science and Application, 2011, 10(1): 82-87.

[8] 陳小波, 李靜, 陳健云. 考慮離心力剛化效應的旋轉(zhuǎn)風力機葉片動力特性分析[J]. 地震工程與工程振動, 2009, 29(1): 117-122.

羊森林（1985-），2009年6月畢業(yè)于四川大學材料加工工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事風電葉片設計相關工作，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

四川省科技支撐計劃項目資助（2014GZ0084）