葉片應變隨側風角度變化的特征分析

馬劍龍， 李佩林， 呂文春,3， 白葉飛， 張彥奇， 汪建文

(1．內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2．風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，呼和浩特 010051；3．內蒙古機電職業技術學院 冶金與材料工程系，呼和浩特 010070)

葉片應變隨側風角度變化的特征分析

馬劍龍1,2， 李佩林1， 呂文春1,3， 白葉飛1,2， 張彥奇1， 汪建文1,2

(1．內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2．風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，呼和浩特 010051；3．內蒙古機電職業技術學院 冶金與材料工程系，呼和浩特 010070)

利用TST5925裝置和PULSE19裝置構建了葉片表面應變與發電機、塔架、基座振動加速度的同步監測系統，針對直徑1.4 m的小型水平軸風力機側風工況下葉片氣動中心線及葉根附近位置的應變進行測試與分析。證實了最惡劣側風角的存在，處于該側風角度時葉片承受的側風激振力最強，離心力是導致葉片最惡劣側風角發生遷移的主要誘因。揭示了來流風速及葉片轉速一定的情況下，葉片不同位置所對應的最惡劣側風角不盡相同，低轉速時葉根附近所對應的最惡劣側風角往往小于葉尖和葉中部，但其隨離心力變化的響應速度卻較其它位置敏感。遠離最惡劣側風角時，應變值隨轉速的變化近似成線性；逐漸靠近該側風角時，側風激振力對葉片應變的影響顯著增強，并導致其產生強烈脈動。

葉片應變；側風角度；同步監測；最惡劣側風角；側風激振力

風力機運行在自然風環境中，風向頻繁變化是常態，不論是受偏航系統調向控制的大、中型水平軸風力機，還是受尾舵控制調向的小型水平軸風力機，其實際運行工況均不可避免地受到來流風載方向變化的影響，即在運行中伴隨著頻繁變化的偏側風導致的外界激勵作用。已有研究揭示，偏側風是導致風力機產生激振，進而發生共振、顫振最為主要的原因之一，也是風力機發生疲勞損傷和運行失穩的主要誘因[1]。葉片作為風力機的主要動力部件，是風力機發生振動的主要誘因，因此獲得葉片結構動態參數隨工況變化的響應特征是解決風力機結構安全性和運行穩定性的基礎[2]，應力應變響應作為分析葉片疲勞損傷和運行失穩的重要基礎參數則更應被深入研究，特別是隨著風力機大型化和小型多用途化發展趨勢的加劇，諸多優質氣動性能風力機由于結構動力學特性設計失敗或運行控制方案失當而造成產品夭折的事實已充分證實了這一問題的重要性。然而，側風條件下葉片應力應變的動態響應屬于典型的流固耦合問題。數值計算方面，受限于基礎理論發展的滯后，有效解耦合方法的開發仍處于起步階段，且缺乏實驗數據對其可靠性的驗證；實驗方面，風力機屬旋轉機械，受限于無線遙測技術在風力機應用中適應性發展的滯后，使得相關測試技術困難較多且少有突破性進展。

國外相關方面的研究起步相對較早，技術相對先進且多樣化，典型的相關研究如：WATANABE等[3]揭示了側風扭矩是導致風力機疲勞損傷的重要原因之一；SCHRECK等[4]基于水平軸風力機偏航條件下的動態失速效應揭示了失速渦存在變形和放大效應，會造成葉片法向受力增大。MICALLEF等[5]發現側風條件下葉根和葉尖存在復雜流動區，且與葉片振動存在關聯性。VELAZQUEZ等[6-7]針對側風狀態下的水平軸風力機提出了非線性變化的錐形掠截面的陀螺效應的概率分析方程，并通過實驗模態分析了葉片的動態特性。BASSETT等[8]運用小波分解分析了側風狀態下風力機的振動響應。NARAYANA等[9]證實了偏航行為對風力機結構安全性的影響，并開發了一個考慮尾舵動態響應的簡易模型用于小型水平軸風力機偏航行為的描述。GHARALI等[10]針對直徑2 m帶尾舵的風力機揭示了降低偏航力矩會增大轉子的最大橫擺率。

國內相關方面的研究工作起步較晚，研究成果相對較少，典型研究如：柯世堂等[11]進行了偏航狀態下風力機塔架-葉片耦合結構氣彈響應分析；楊軍等[12]進行了偏側風對風力機氣動性能影響的分析；查顧兵等[13]進行了水平軸風力機側風狀態下動態失速模型分析。

綜合文獻分析可知，針對葉片應變響應隨側風角度變化特征方面的研究仍處于起步階段，葉片應變響應隨側風角度變化的關聯性和關聯機理仍不明確。

1 測試試驗

1.1 測試對象及測試系統

測試對象為小型水平軸風力機，風輪直徑1.4 m，葉片材質為木質，測試系統如圖1所示。

1.風洞；2.支架；3.葉片；4.導流罩；5.發電機；6.尾舵；7.塔架；8.基座；9.主控電腦；10.同步觸發器；11.應變值采集控制電腦；12.無線信號接收器；13.無線信號發射器；14.加速度值采集控制電腦；15.數據采集箱；16.數據采集卡；17.數據線；18、19、20.加速度傳感器；21.側風角調控裝置。圖1 測試系統Fig.1 Testsystem

測試系統可實現葉片表面動態應變值與發電機、塔架、基座振動加速度值的同步監測，原理如下：

1)風洞裝置通過變頻器調控洞體內軸流式風機的轉速控制風力機前來流風速的大小；

2)測試開始時，測試員通過主控電腦發出測試指令，主控電腦觸發同步觸發器同時發出測試指令給應變值采集控制電腦和加速度值采集控制電腦；

3)應變信號由布置于葉片表面的應變片發出，信號通過排線(漆包線)傳遞給布置于發電機前端主軸上的無線信號發射器，無線信號被無線信號接收器捕獲，并經網線傳遞給應變值采集控制電腦進行記錄；

4)加速度信號由布置于發電機、塔架、基座上的加速度傳感器發出，信號通過數據線傳遞給數據采集卡片，數據采集卡片定位于數據采集箱內，并經網線將加速度信號傳遞給加速度值采集控制電腦。

1.2 測試裝置及測點分布

應變值采集裝置采用旋轉機械應力應變遙測分析系統TST5925完成，測試原理如圖2所示，該系統為國內首臺專門針對風力機葉片動態應力應變信號采集設計的裝置。

圖2 應變值測試系統測試原理Fig.2 Testing principle of strain value testing system

加速度值采集裝置采用丹麥B&K公司最新研發的PULSE19結構振動分析系統，測試原理如圖3所示；同步觸發控制軟件由作者所在課題組自行編程設計。

應變片布置如圖4所示。

圖3 加速度值測試系統測試原理Fig.3 Test principle of acceleration value test system

圖4 應變測點分布Fig.4 Measuring-point distribution of strain

1～7號測點沿葉展均布于葉片氣動中心線上；1、8、9號測點分布于同一翼型面上，1號測點靠近前緣，9號測點靠近后緣，應變片布置方向沿葉展方向，采用半橋接法，排線附著于葉片表面，為盡可能減小排線布置對葉面流場的影響，排線采用直徑0.1 mm的超細漆包線，并采用強效玻璃膠形成薄膜層固封漆包線。

加速度信號由6個加速度傳感器感知，布置位置依編號為：1.發電機側部前端；2.發電機頂端中部；3.塔架上部；4.塔架中部；5.塔架下部；6.基座邊緣。作者在之前的研究中已證實1號傳感器可較好地反映風輪振動的強弱(相關內容可參見作者之前刊發論文)，本文中仍以1號傳感器所捕獲的信號進行分析，用以判別當葉片應變值增大時，風輪整體振動強度是否增強，進而驗證應變值獲取的可靠性。傳感器采用B&K分司的三向加速度傳感器，可同時捕獲測點處三個空間方向上的加速度值，傳感器通過卡槽固定在墊片內，墊片通過502膠固接在測點處。

試驗在內蒙古自治區新能源示范基地所屬B1/K2型低速低湍流風洞開口實驗段前，小型風力機專用測試臺架上完成。該風洞開口實驗段內徑為2 m，可提供0～20 m/s的均勻來流。風輪依實際運行工況安裝，風輪和發電機主軸間通過螺栓連接，無線信號發射器通過螺栓和卡盤與發電機主軸固接，發電機安裝于塔架上。側風角度調控裝置采用抱箍原理，通過抱箍松弛可實現風輪與塔架相對角度的調節，即側風角度的調節，通過抱箍的預緊可實現發電機下端與塔架之間的固接，進而實現側風角度的固定。

發電機輸出參數的采集由美國Fluke公司研制的高精度六相功率檢測分析系統Norma5000完成，該裝置可快速、高效、精確地捕獲發電機的電頻率、功率、電流、電壓等多種輸出參數，設備如圖5所示。

風洞開口實驗段風速的標定由熱線風速儀完成。同一來流風速、同一側風角度時，風輪轉速的調節通過調節發電機外接電耗負載的接入阻值實現，具體由自制RLC負載箱完成，如圖6所示。

測試前對風輪進行動平衡處理。來流風速選取5～10 m/s，葉尖速比選取5～7，側風角度選取5°～30°，各工況下數據采集時長為30 s，測試現場如圖7所示。

圖5 Fluke Norma5000Fig.5 Fluke Norma5000

圖6 負載箱Fig.6 Load box

圖7 測試現場Fig.7 Test site

1.3 幾點說明

(1)圖7中(a)、(c)、(f)分圖均可見攝像機裝置，為德國LaVison公司研制的高頻PIV系統，每秒最多可拍攝1萬張照片，可很好地實現流場的動態監測。圖7所示試驗方案涉及流場、葉片應變、發電機/塔架/基座加速度三類信號的同步監測，課題源于作者所承擔的國家自然科學基金項目。本文主要研究內容為該項目的一部分，不涉及流場參數相關內容，故未作介紹。

(2)三支葉片應變測點分布并不相同，實際測點數要多于圖4所示。由于本文主要內容只涉及如圖4所示9處測點，故對其它測點未作介紹。

(3)三支葉片布點后的動平衡處理由PULSE設備進行測試并借助美國Vibrant公司研制的ME’scopeVES動態特性分析軟件實現，由于過程較為繁雜且不為本文研究內容主體工作，故在此不作贅述。

(4)風輪轉速由發電機電頻率及電極數間接獲得。

2 測試結果分析

2.1 最惡劣側風角

定義：應變值用με表示，側風角用β表示。

以來流風速為8 m/s，風輪葉尖速比為5～7為例，葉片表面9處測點30 s內應變值的均值如圖8所示。

圖8 應變值隨側風角度的變化Fig.8 Strain changing along with crosswind angle

由圖8中各分圖可發現如下特征：

1)來流風速及葉片轉速一定的情況下，存在最惡劣側風(偏航)角，其應變值明顯高于其它側風角度，如圖8中各曲線均有峰值出現。理論分析可知，側風角為0°或90°兩個極限值時，三支葉片關于來流風向呈對稱或平行分布，風輪所承受的有效氣動力關于來流風向對稱或不承受氣動力，故三葉片間不存在不平衡氣動力；側風角度不為0°或90°時，不平衡氣動載荷將誘發風輪產生振動激勵，考慮到風輪在兩個極限側風角間的偏轉受力可視為一個連續受力過程，在兩個極限值間必然存在某個側風角度會使葉片所承受的不平衡氣動力達到峰值，將該側風角定義為“最惡劣側風(偏航)角”，同時將各側風角下的不平衡氣動力定義為“側風(偏航)激振力”，葉片處于最惡劣側風角時所承載的側風激振力達到極值。

2)來流風速及葉片轉速一定的情況下，葉片不同位置所對應的最惡劣側風角存在差異，低轉速時葉根附近最惡劣側風角小于葉尖和葉中部。如圖8(a)所示，葉尖速比為5時葉根處1、8、9號測點的最惡劣側風角為10°，明顯小于葉中及葉尖處2、3、4、5、6、7號測點所對應的最惡劣側風角度15°。

3)離心力是造成葉片各處最惡劣側風變化的主要誘因，葉根處最惡劣側風角隨離心力的變化較葉尖和葉中部敏感。葉片轉速增加時，如圖8(b)～8(e)所示，1～9號測點的最惡劣側風角度值均有所增大，并在高轉速變為一致，即葉根處所對應最惡劣側風角隨葉片轉速的變化相對敏感。由圖8可知，隨葉尖速比增大，各曲線峰值不僅發生右移，同時相應增大，即葉片的受力增加。現對葉片受力作如下分析：如圖9所示，葉片動態受力主要為氣動力和離心力，氣動力可分解為周向力和彎曲力，周向力驅動葉片旋轉并使葉片沿周向產生變形，彎曲力誘發彎曲變形，離心力導致拉伸變形，三類變形均會影響應變值的獲取。理論上分析可知，來流風速和側風角度一定的情況下，葉片轉速增加將促使氣動力減小、離心力增大，即由氣動力所導致的應變相應減小、離心力所導致的應變相應增大。測試中也應證了這一分析，因來流風速和側風角度一定時，葉片轉速的增加需通過調節發電機外接電耗負載減小電磁轉矩實現。由此可見，葉片應變增大的主要誘因為離心力，這也正好解釋了為何葉根處最惡劣側風角隨離心力的變化較葉尖和葉中部敏感。

2.2 側風狀態下葉片的應變特征

由圖8可發現如下特征：

1)最大應變(應力集中區)總出現在葉片中部附近，而非人們慣性思維中的葉根部，這一發現可更正部分研究人員往往以葉根處作為應力集中區的做法。

2)最惡劣側風角附近，應變值并非總是隨側風角度的漸遠呈單調下降，在部分轉速下應變值會出現跳躍。如圖8(a)，峰值附近應變值呈單調下降，圖8(b)峰值兩側出現了微弱的應變值跳躍，圖8(c)出現了顯著的應變值跳躍；圖8(d)中跳躍趨變小，圖8(e)中恢復單調下降形式。以圖8(c)為例，各測點最大應變值相對于最小值應變值的變化為13%～25.88%，由此可知，在來流風速和葉片轉速一定(或變化不大)條件下的偏航行為可能誘發嚴重的應變(應力)波動，大幅度的應力變化對葉片的疲勞損傷存在嚴重影響。

2.3 側風激振力對葉片應變影響的敏感性

為分析側風激振力(氣動力)與離心力對葉片應變影響的敏感性，構建數據圖如圖10所示。

由圖10分析可知，側風角較小(5°)時，側風激振力較小，離心力(葉尖速比)對應變值的影響相對顯著，各測點應變值隨尖速比的變化近似成線性，這與經典力學公式F=mv2/r看似矛盾，實則不然。其原因為：葉片為非規則體，各翼型面扭角不同，隨葉片轉速變化，各翼型面攻角將發生相應變化，葉片所受氣動力不僅存在大小的變化，更存在方向的改變，在氣動力和離心力復合作用下，葉片將發生復雜的彈性變形(為葉片與流場間的流固耦合問題，是學界至今仍未解決的難點問題)，進而導致其有效離心半徑r值產生動態變化；另一方面，氣動力對葉片應變值也存在一定程度上的影響，故上述結論并無原理性錯誤。這一結論也佐證了當前部分研究人員在研究葉片結構動態響應時，為簡化計算難度而對存在翼型扭角的葉片采用懸臂梁理論進行受力分析的方法并不適合。

圖10 測點應變值隨尖速比的變化Fig.10 Strain changing along with tip speed ratio

另一方面，隨側風角增大，側風激振力顯著增強，離心力對應變值的影響優勢下降，應變值隨離心力變化產生明顯的波動，且葉根處應變值受側風激振力影響的惰性較葉尖和葉中部大。

2.3 試驗結果的可靠性分析

1)應變值的采樣頻率為500 Hz，采集時長為30 s，對每一測試工況所獲的1.5萬個數據均采用萊依特準則和狄克遜準則交叉判別的方法進行了數據的可靠性分析，去除了測量壞值。

2)上述結論均以來流風速為8 m/s為例獲得，考慮到來流風況的特殊性及葉片結構特征的特殊性，實際測試中來流風速選取了5～10 m/s，并更換了如圖11所示的2號葉片(2號葉片為NACA4415翼型葉片，與1號葉片翼型結構及葉根連接方式上存在較大的差異性)進行相同的試驗，測試值雖與本文所述葉片存在差異性，但卻可獲取相同的規律性結論。

圖11 被測葉片Fig.11 Measured blades

3 結 論

(1)提出了葉片應變信號與發電機、塔架、基座振動加速度信號同步監測的方法，填補了相關測試方面的技術空白。

(2)側風(偏航)過程中存在最惡劣側風角，風速及葉片轉速一定時，葉片偏側至該角度時所承受的側風激振力最強，葉片受迫振動響應最為激烈。離心力是促使最惡劣側風角變化的主要誘因，故葉根處最惡劣側風角隨離心力的變化較葉尖和葉中部敏感。

(3)風速及葉片轉速一定時，葉片不同位置點所對應的最惡劣側風角不盡相同，低轉速時葉根附近的最惡劣側風角往往小于葉尖和葉中部。

(4)側風角度較小時，側風激振力相應較小，離心力對應變值的影響相對顯著，葉片氣動中心線及葉根附近應變值隨葉片轉速的變化近似成線性；當靠近最惡劣側風角時，側風激振力顯著增強，離心力對應變值的影響優勢下降，應變值隨離心力變化產生明顯的波動，且葉根處應變值受側風激振力影響的惰性較葉尖和葉中部大，由常識可知應變值的強烈脈動對葉片的疲勞損失存在嚴重的影響。

相關研究成果有可能為很多風力機葉片及主軸在遠短于設計壽命期內頻繁發生疲勞損傷事故提供新的解釋，為風力機結構安全性設計、偏航控制方案的制定提供理論支撐，同時可為風力機流固耦合問題解耦方法的建立提供可靠的實驗數據支持。

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Feature analysis of blade strain variation with crosswind angle

MA Jianlong1,2, LI Peilin1, Lü Wenchun1,3, BAI Yefei1,2, ZHANG Yanqi1, WANG Jianwen1,2

(1．School of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2．Ministry of Education Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Utilization Technology，Hohhot 010051，China；3.Metallurgical and Material Engineering Department，Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics，Hohhot 010070，China)

The simultaneous monitoring system of blade surface strains and vibration accelerations of a generator, its tower and base was constructed by using a TST5925 device and a PULSE19 device. The strain values at the blade root and the pneumatic centerline of a 1.4 m diameter horizontal axis wind turbine were measured and analyzed under crosswind conditions. The results showed that there is the worst crosswind angle, at this angle the blades withstand the strongest crosswind exciting force and the centrifugal force is the primary cause leading to blades’ shift; the worst crosswind angles corresponding to different blade positions are not the same under fixed wind speed and blade rotating speed; at lower rotating speeds, the worst crosswind angles near the blade root are often smaller than those at the tip and middle of the blade, but their responding speeds variations with the centrifugal force are more sensitive than those at other locations; strain value changings with blade rotating speed are approximately linear while for away from the worst crosswind angles, the impact of the crosswind exciting force on the blade strain significantly increases and causes a strong pulsation of strain values while close to the worst crosswind angles.

blade strain；crosswind angle；simultaneous monitor；worst crosswind angle；crosswind exciting force

國家自然科學基金項目(51466012)；內蒙古自然科學基金項目(2016MS0509)

2016-03-10 修改稿收到日期：2016-07-09

馬劍龍 男，博士，副教授，1981年11月生

呂文春 女，博士生，講師，1981年3月生

TK83

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.017