V型葉尖結構對風力機結構動力學特性影響的實驗研究

張建偉 代元軍 李保華 任常在

摘要：為找到不同幾何參數v型葉尖結構對風力機結構動力學特性的影響，利用PULSE18.0結構振動分析系統和ME scopeVES 5.1模態測試軟件結合瞬態激振法，選取振動頻率范圍0-400Hz和特定激勵點，獲得葉輪的固有頻率；在低速風洞中，通過三向振動加速度傳感器測定額定風速12 m/s時不同轉速所對應的振動加速度，并分析改型前后葉輪前三階振動頻率。結果表明：3種葉片均在葉輪轉速375～625rad/min發生明顯振動現象，葉輪在500rad/min一二階低頻時，V-1型葉尖葉片偏離值為5.6%和4.4%，發生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉片偏離值為3.4%和2.1%，發生共振的可能性較高，在三階時改型前后的偏離值超過20%發生共振的可能性都比較低。該結果對風力機葉片葉尖改型的設計和避免共振提供一定的數據參考。

關鍵詞：風力機；V型葉尖結構；固有頻率；振動頻率

0引言

為應對能源危機，各國開始大力發展清潔能源，從上世紀七十年代以來人們越來越重視風能的利用，風力發電是風能的主要利用方式之一。葉輪是風力發電機中的主要組成部分，約占總成本的20%～30%，風力機中葉輪的結構動力學特性是風力發電機設計時的重要指標，因此，準確獲得葉輪的結構動力學參數尤為重要。

在結構動力學測試方面，國外研究較早，技術較為成熟，其研究主要集中在對結構動力學特性的改變和對葉片材料及其葉片結構的開發，Van Holtan研究了葉片加小翼后小翼對葉輪擴散效應的影響，Van Bussel研究了葉片結構改變對葉輪空氣動力學的影響，Lissaman等對水平軸風力機進行了葉尖裝置的開發和測試，Shimizu等研究了葉片帶小翼及未帶小翼的葉片尖端的線速度變化。國內對葉片結構動力學的研究起步較晚，只有少數的幾個研究機構開展了葉片振動頻率實驗方面的研究，并主要集中在結構動力學參數的獲取。

針對葉片氣動力學和結構動力學研究，代元軍等對葉片葉尖改為v型后的氣動噪聲開展了研究，本文以s系列某翼型葉片為基礎，根據文獻確定了葉片尺寸及外形，并用丹麥B&K公司PULSE18.0振動測試分析軟件進行測試，主要完成風力機葉輪靜止時固有頻率及旋轉時振動頻率的實驗測試，研究V型葉尖結構變化對葉輪振動的影響。

1葉輪固有頻率測試實驗

1.1測試對象

本次實驗選用自行設計打印的PLA材料葉片，翼型為s系列某翼型，對應葉輪半徑為0.65 m，額定功率為300w。實驗改型前后單葉片如圖1所示，其中v型葉尖結構如圖2所示，葉尖幾何參數如下：V-1型葉尖葉片葉尖深度h=1.3 cm，張角0=60°，葉尖寬度a=1.5 cm；V-2型葉尖葉片葉尖深度h=2.6 cm，張角0=60°，葉尖寬度a=3 cm。

1.2測試原理及測試設備

測試系統采用丹麥B&K公司PULSE18.0振動測試分析軟件，激勵信號由人工施加，力錘所產生的激勵信號由其手柄處的數據線傳輸給數據采集前端：葉片受迫振動后，振動信息由測試處的加速度傳感器采集，并由數據線傳輸給數據采集前端，通過網線傳輸給交換機，交換機收集數據后輸入模態分析系統，該系統完成測試系統的整體設置、控制及測試數據的顯示、保存等功能。測試原理和測試設備如圖3和圖4所示。

1.3測試方法及測點分布

葉輪固有頻率測試實驗在新疆工程學院能源高效利用技術重點實驗室完成，測試葉輪選用三爪卡盤作為夾具來約束葉片，將卡盤放置在阻尼比小的材料上進行測試。

測試方法采用瞬態激振法，振動頻率范圍取0～400Hz，激勵點選用圖4中的3、6、9號點和10～21號點，激勵方向垂直于葉片，加速度傳感器由粘合劑固定在葉片對應測點部位，測點位置為圖4中的1～9號點。每次激勵點的敲擊次數為5次。

1.4實驗數據處理

通過ME scopeVES 5.1模態測試軟件對PULSE18.0振動分析系統所獲得的實驗數據進行處理，將PULSE18.0系統所獲數據導入ME scopeVES 5.1模態測試軟件，數據處理后得到葉輪的固有頻率如表1所示。

從表中可以看出對葉片進行V型改型后，隨著葉片葉尖部分質量不斷減少，葉輪前三階固有頻率不斷增大，這是因為對于連續彈性體的葉輪其固有頻率與其質量成反比關系，葉輪質量減少則葉輪固有頻率應該是增大的，這與以上實驗數據所得結果相一致，進一步說明了實驗的正確性。

2振動特性測試實驗

本次實驗在內蒙古工業大學新能源基地B1/K2低速風洞實驗室進行，三向振動加速度傳感器布置在發電機上，其安裝位置如圖5所示，其中規定三向振動加速度傳感器X軸正方向為風來流方向，y軸正方向為平行于地面向左，Z軸正方向為垂直于地面向上，感光片布置于葉片葉尖位置，葉片在額定風速旋轉時，通過滑動變阻器控制葉片轉速，葉片旋轉時的振動信息由加速度傳感器采集，采集的信息由數據線傳輸到B&K測試系統。

采集未改型葉片、V-1型葉尖葉片、V-2型葉尖葉片3種葉片葉輪在額定風速12m/s不同轉速所對應的振動數據，其3個方向的振動特性如圖6所示。

從圖中可以看出，葉輪轉速在375-625 rad/min時，未改型葉片、V-1型葉尖葉片、V-2型葉尖葉片均出現了劇烈振動現象，其中轉速達到500rad/min時，3種葉片振動加速度均達到了最大值，V-2型葉尖葉片振動加速度最大，其次是未改型葉片，最小的是V-1型葉尖葉片.在3種葉片中V-1型葉尖葉片的振動變化趨勢最為和緩。故選取轉速為500 rad/min分析改型前后葉片三向矢量振動頻譜圖，如圖7所示。

從圖中可以看出，在低頻率時出現振動的最高點為圓盤效應，次高點為軸向竄動效應，圓盤效應和軸向竄動效應是風輪在掛機狀態下普遍存在的兩種振動方式，其后峰值分別對應葉片的各階振動頻率，葉片風輪共振一般發生在低頻，其共振的條件是葉輪振動頻率接近或等于葉輪固有頻率或者其倍頻，由圖7得出葉輪在500 rad/min改型前后前三階振動頻率，如表2所示。

由表1和表2可以看出葉輪振動頻率與葉輪固有頻率的2倍頻較接近，故取葉輪固有頻率的2倍頻與葉輪振動頻率進行比較，研究葉輪固有頻率的2倍頻與葉輪振動頻率的偏離關系，偏離值越接近0則越可能發生共振.越接近100%則發生共振的可能性越低，偏離值=（葉輪振動頻率一葉輪固有頻率的2倍頻）÷葉輪固有頻率的2倍頻x100%的絕對值，偏離值如表3所示。

由表3可知，在一二階低頻時V-1型葉尖葉輪偏離0%的數值最大，發生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉輪偏離0%的數值最小，發生共振的可能性較高，這與風洞實驗結果一致。在三階時3種葉片葉輪其偏離值都較大，均超過20%，這說明3種葉片葉輪在三階時發生共振的可能性都較低。

3結束語

1）通過對3種葉片葉輪固有頻率測試實驗，得到了3種葉片葉輪的前三階固有頻率，發現改變葉尖形狀減小其質量后獲得的V-1型葉尖葉片和V-2型葉尖葉片其固有頻率均比未改型葉片要高。

2）在風洞中獲得改型前后葉輪的振動實驗數據，發現3種葉片葉輪在轉速375-625 rad/min之間時均出現了劇烈振動，在轉速達到500 rad/min左右時振動達到最大值，其中V-2型葉尖葉片變化最為劇烈，V-1型葉尖葉片變化最為和緩。

3）通過對轉速在500rad/min時的振動頻譜圖分析發現，在一二階低頻時V-1型葉尖葉片葉輪發生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉片葉輪發生共振的可能性較高，3種葉尖葉片葉輪在三階時發生共振的可能性都較低，說明V型葉尖幾何參數對風力機的結構動力學特性影響較大，需要進一步優化V型葉尖結構，找到合適結構動力學特性良好的V型葉尖結構幾何參數。