基于ANSYS的兆瓦級風力發電機葉片結構動力學分析

顏愛平

湖南理工職業技術學院

基于ANSYS的兆瓦級風力發電機葉片結構動力學分析

顏愛平

湖南理工職業技術學院

葉片是風力發電機組的重要組成部分，也是影響風力發電機組發電效率和使用壽命的重要部件，加強對風力發電機葉片的結構動力學分析具有重要的作用。本文以1.2兆瓦級風力發電機葉片為例，建立了風力發電機葉片動力特征方程，并采用AN?SYS Workbench軟件進行防真分析，了解兆瓦級風力發電機葉片結構動力學，旨在為人們提供一定的參考。

ANSYS；風力發電機；葉片結構動力學

引言

風力發電機組主要由機艙、塔架和葉片等構件組成，不同部件之間的彈性變形和空間運動會相互影響，使風力發電機組的結構動力學特性變得非常復雜。風力發電機組的葉片在機組運行過程中受到的力非常復雜，其為細長彈性體，非常容易發生振動，為了判斷葉片運動的穩定性，就要加強對葉片結構動力學的研究。

1.基于ANSYS的兆瓦級風力發電機葉片有限元模型

利用ANSYS Workbench軟件建立葉片有限元模型具有一定的局限性，因此在建模過程中先采用Pro/E建模軟件建模，然后將得到的葉片實體文件生成的x-t格式導入到ANSYS Workbench軟件中。在葉片建模過程中要結合1.2兆瓦級風力發電機葉片的氣動參數來建模。氣動參數包括1.2兆瓦級風力發電機的額定功率、額定風速、葉輪直徑、葉片半徑、葉尖速比、葉片質量、切出風速、切入風速、塔架高度等。采用自由網絡劃分的方式對葉片進行劃分，建立葉片有限元模型。

2.兆瓦級風力發電機葉片結構動力學分析

建立了風力發電機的模型之后，進行模擬計算。模擬計算主要包括兩個方面的內容，分別為動態模擬和靜態模擬。其中動態模擬視模擬風力發電機組啟動、正常運行、空轉、正常停機、緊急停機和停機等工作狀況的葉片變形量、力矩以及荷載等。靜態模擬則是假設風力發電機組在理想狀態和穩定的風況下，計算出風力發電機組的各種參數，在風力發電機組前期設計中這些參數能夠發揮出重要的作用，可以為風力風力發電機組的參數設計和性能分析提供可靠的依據[1]。

2.1 系統的固有頻率

風力發電機組的固有頻率如果和外界激振力的頻率保持一致，此時兩者就會發生共鳴，發電機組就會受到巨大的破壞，這對于風力發電機組的使用壽命是非常不利的，因此對于系統來說一定要讓系統的固有頻率和外界激振力不同。采用軟件計算，得到系統的共振圖，如下圖1所示：

圖1 風力發電機組系統的共振圖

由圖1可看出系統固有頻率和風輪轉速之間的關系，葉片風力發電機組的頻率不能為風輪激勵的3倍頻率和1倍頻率，而圖中系統在工作轉速的范圍之內沒有與3倍頻率和1倍頻率相交，因此可以說明整個風力發電機組在工作轉速區間之間是可以穩定運行的。

2.2 葉片振動位移

采用軟件可以得到正常運行疲勞載荷工況下葉片的側向和前后位移，位移圖是采用標準的湍流風模型得到的，是在疲憊荷載的工作狀況下，模擬時間10分鐘，正常的風剪切指數為0.2，垂直風入流角為10度，荷載工況為切入風速到切出風速，間隔每秒2米。在這個工況下，如果風輪旋轉并進行偏航運動，此時在葉片上就會產生一個和風輪旋轉平面垂直的陀螺力荷載。葉片受到法向力，這個法向力會對葉片形成氣動推力，并且這個氣動推力比較大。葉片受到一個空氣動力荷載，葉片受到的切向力同時也會對葉片產生一個升力。由于葉片受到的氣動推力比較大，也是這個氣動推力使風力發電機組產生振動，氣動推力對風力發電機組的振動具有很大的影響，導致葉片的側向振動幅度比較小，但是葉片的前后方向的振動幅度比較大。

對正常停機工況下葉片的側向位移和前后位移進行分析，采用極限風模型，旋轉極限荷載類型，設置垂直風入流角為10度，正常風剪切指數為0.2，模擬1分鐘。當風力機從額定轉速減速旋轉，并達到停車狀況時，葉片在前后方向上和側向的運動都是在衰減的。當風力機組達到停機初期，此時葉片的位移呈現出周期性的變化，會出現一個比較大的振幅，然后慢慢衰減，最后到達零，機組停機[2]。

在啟動模擬工況下對葉片的側向位移和前后位移進行分析，可以采用定速風模型，模擬時間1分鐘，在疲勞荷載的類型下。當風力機由停車的狀態開始啟動，通過加速選擇達到額定的轉速，風輪葉片的起始位移會產生非常大的波動。這主要是由于風輪葉片受到的氣動增加，風輪轉動的角速度也是增大的，當啟動完成之后，風力機的旋轉就會慢慢恢復平穩，最終達到額定的工作狀況。

3.結語

采用ANSYS Workbench軟件進行防真模擬，通過模擬三個不同工況下的風力發電機組的運行過程中葉片的振動位移，可以得出一系列的結論。在停車和啟動的工況下，葉片在側向和前后方向的運動都是逐漸衰減的。在停車過程中，葉片會受到剎車力矩、慣性力等的作用，影響葉片的運動平穩性。為了讓葉片的運動在停車過程中也可以比較穩定的減少，就一定要對葉片進行校核。機組在正常的運行狀況下，由于氣動推力對風力發電機組會產生較大的影響，因此葉片的擺振振幅比較小，揮舞振動幅度比較大。

[1]司敏劼.基于ANSYS兆瓦級風力發電機葉片疲勞壽命分析[D].蘭州理工大學,2015.

[2]胡國玉,孫文磊,董平.5MW風力發電機復合材料葉片結構力學特性分析[J].可再生能源,2015,33(6)：871-875.