覆冰條件下旋轉風力機葉片振動特性及其影響因素分析

董映龍, 成 斌, 張 惠, 李西洋, 吳海艷

(石河子大學機械電氣工程學院;農業農村部西北農業裝備重點實驗室，石河子 832003)

在全球經濟轉向節能和環境保護階段，綠色已成為全球能源治理的主色調，風能作為可再生能源中發展最快的清潔能源，其開發和利用成為了全球關注的焦點。新疆風能資源豐富，各大風場分布區域冬季寒冷，空氣濕度較高，風力機葉片覆冰現象十分普遍[1]。風力機葉片覆冰導致功率損失[2]，也會引起額外的過載及振動，從而降低葉片使用壽命，嚴重時造成葉片損壞甚至風機倒塌[3]。

鑒于風力機葉片覆冰帶來的危害，近年來人們對覆冰條件下旋轉風力機葉片振動特性的研究越來越重視。譚海輝等[4]、郝艷捧等[5]利用ANSYS、FLUENT等軟件計算得到了風力機葉片振動頻率與幅值之間的關系曲線，發現雨凇覆冰對發電機組造成的功率損失較大，霧凇覆冰影響較小。劉勝先等[6]、雷利斌等[7]對不同覆冰狀態下的風力機葉片進行動力特性模擬試驗，從葉片的曲率模態參數中提取出判斷風力機葉片覆冰參數的特征值指標。Sudhakar等[8]、Edison等[9]采用有限元法和計算多相流體動力學方法分析了覆冰狀態下風力機葉片氣動特性的變化規律，結果表明葉片固有頻率和阻尼取決于沿葉展方向的覆冰質量分布，覆冰量增加，葉片固有頻率降低。

綜上，風力機葉片覆冰振動對機組安全有效運行造成了嚴重影響。目前，中國針對覆冰條件下旋轉風力機葉片振動特性的研究主要通過數值和仿真計算來實現，相關試驗研究較少。同時，由于不同地域之間氣候條件的差異性，溫度、濕度、風速、運行時間等因素對風力機葉片覆冰振動特性的影響程度也不盡相同。因此，針對新疆地區旋轉風力機葉片覆冰振動特性進行深入研究具有重要意義。

1 旋轉風力機葉片覆冰振動試驗

為模擬旋轉風力機葉片實際運行環境，研究不同覆冰狀態(覆冰厚度和覆冰位置)下旋轉風力機葉片振動特性及其變化規律，分析溫度、濕度、風速、運行時間等因素對旋轉風力機葉片覆冰振動特性的影響，以新疆風力機葉片為研究對象，在自然環境下搭建了旋轉風力機葉片覆冰振動測試試驗臺。

1.1 材料與方法

由于實際機型過于龐大，不利于試驗的開展，因此試驗用風力機模型為按1:12.5縮小的1.5 MW風力機，為反映風力機葉片實際覆冰情況，選用NACA4412翼型的玻璃鋼葉片，葉片展長為1.6 m，攻角為3°。風力機試驗整機模型如圖1所示。

圖1 試驗整機模型

試驗動力輸入裝置為1380型軸流風機，提供恒定均勻風速，功率為1.1 kW，風量45 000 m3/h，電壓380 V，可調風速為0～20 m/s(風力等級0～8級)。

試驗利用高壓霧化噴水裝置調節試驗環境濕度，噴淋系統由高壓水泵(24 W)和3個高壓細水霧噴頭組成，單個噴頭噴霧直徑達1 m，通過調節噴頭處的水壓調節水滴直徑大小。

試驗因素測量裝置包括高精度溫濕度儀(可記錄208萬組數據)、標志GM100超聲波測厚儀(分辨率0.1 mm)、游標卡尺、AM-4201手持式數字風速儀。旋轉風力機葉片覆冰試驗如圖2所示。

圖2 風力機葉片覆冰試驗示意圖

圖3 風力機葉片覆冰振動測試系統

風力機葉片覆冰振動測試系統如圖3所示，以4個測點處的振動頻率和覆冰厚度為響應指標，采用環境激勵(風激勵)和多點拾振的方法進行模態測試，探究不同覆冰狀態下旋轉風力機葉片振動特性及其變化規律，振動信號由三軸加速度傳感器獲取，選用NI-9230數據采集卡，其各通道具有內置抗混疊濾波器，可自動調整至采樣率，配合NI采集軟件進行相關數據存儲并分析。試驗中通過集流滑環將旋轉葉片振動信號穩定輸出到數據采集卡。

通過預試驗發現旋轉風力機葉片覆冰主要集中在葉片迎風面的前沿。為提高試驗數據的準確性，試驗所布置的4個測點分布于葉片氣動中心線上且均靠近葉片前緣[10]。葉片展長為R(1.6 m)，由葉尖至葉根依次粘貼傳感器并進行編號(1～4測點)，各測點距離葉根距離分別為0.85R、0.55R、0.35R、0.2R，傳感器測點布置如圖4所示，葉片擺振方向為Z方向。

1、2、3、4為測點

1.2 試驗設計

為模擬風力機實際運行環境，試驗于2018年12月—2019年1月進行，以確保自然環境溫度完全滿足試驗要求，在石河子大學農業部西北農業裝備重點試驗室完成。

根據風力機葉片實際運行環境條件，設計了“四因素三水平”L9(34)正交試驗，試驗因素為溫度(T)、相對濕度(Φ)、風速(v)、運行時間(D)，進一步分析各因素對覆冰狀態下旋轉風力機葉片Z方向振動頻率的影響。由于風力機葉片實際運行過程中環境溫度難以維持恒定數值，可將溫度因素設計在一定范圍內，試驗方案因素組合水平如表1所示。

表1 因素組合水平

試驗步驟：將風力機模型置于自然環境中，采用高精度溫、濕度儀實時測量并記錄葉片周圍溫濕度變化情況；當溫度、濕度達到預期試驗要求時開啟軸流風機，風速調至啟動風速(4 m/s)；風力機葉片運行時間按試驗設計方案進行；運行旋轉風力機葉片覆冰振動測試系統并采集數據。

1.3 正交試驗方案及結果

為保證試驗的準確性，在風力機葉片運行平穩后開始采集葉片振動信號，采樣時間不少于1 min。每組試驗重復3次，最終試驗結果取3次試驗平均值，正交試驗設計方案及試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗方案及試驗結果

1.4 結果與分析

1.4.1 覆冰位置對風力機葉片振動特性的影響

為探究旋轉風力機葉片氣動中心線上各位置在不同覆冰狀態下的振動頻率及其變化規律，以試驗9為例，試驗獲得旋轉風力機葉片覆冰分布如圖5所示。分析試驗數據，將氣動中心線上各測點頻率有效值(頻率均方根)隨著覆冰厚度、覆冰位置的變化規律以三維關系圖表示，頻率有效值變化趨勢如圖6所示。

縮放比例1:1

圖6 不同覆冰厚度時各測點頻率有效值變化趨勢

分析圖5可知，實際運行過程中旋轉風力機葉片覆冰厚度和覆冰位置隨風力機運行時間的變化而改變。覆冰條件下風力機葉片前緣最先覆冰，葉尖處覆冰量最大，葉根處覆冰較少；隨著風力機運行時間增加，葉片覆冰厚度不斷增加，覆冰面積逐漸覆蓋整個迎風面，葉片背風面靠近前緣處也出現少量覆冰。

分析圖6可知，覆冰條件不變，葉片覆冰厚度相同時，葉尖至葉根在X、Y、Z三個方向的振動頻率均呈現逐漸降低的趨勢，降低規律為非線性曲線變化，其中Z方向頻率變化顯著，X、Y方向頻率變化不明顯。

1.4.2 覆冰厚度對風力機葉片振動特性的影響

以試驗9為例，測點1覆冰厚度分別為2、6 mm時旋轉風力機葉片Z方向加速度頻譜圖和時域波形，如圖7、圖8所示。分析圖7、圖8并進行對比，結果如表3所示。由表3可知，旋轉風力機葉片振動以低頻振動為主，覆冰厚度增加，葉片振動頻率降低，振動響應增加。

圖7 覆冰厚度2 mm時葉片加速度頻譜和時域波形

圖8 覆冰厚度6 mm時葉片加速度頻譜和時域波形

表3 覆冰厚度為2、6 mm時葉片振動特性對比

1.4.3 旋轉風力機葉片覆冰振動影響因素分析

正交試驗相關理論表明極差值與因素重要程度密切相關[11]，結合旋轉風力機葉片覆冰振動測試數據，通過極差值判定四個因素對旋轉風力機葉片振動特性的影響，從而確定四個因素間的主次關系。利用MINITAB對覆冰狀態下旋轉風力機葉片在Z方向最大振動頻率時四個因素進行極差分析，分析結果如表4所示。

表4 最大振動頻率時各因素極差分析

由表4可知，風力機葉片覆冰運行時，溫度變化對葉片振動的影響最大，運行時間對葉片振動的影響最小，濕度和風速對葉片振動的影響介于兩者之間。

綜上，覆冰條件下，四個因素對旋轉風力機葉片振動特性的影響程度由大到小依次為溫度、濕度、風速和運行時間。究其原因，風力機葉片運行環境溫度和濕度變化直接引起葉片覆冰狀態發生變化，覆冰載荷增加，固有頻率降低，葉片振動頻率接近其固有頻率時葉片振動加劇。

2 覆冰條件下旋轉風力機葉片數值模擬分析

通過旋轉風力機葉片覆冰振動試驗研究了覆冰條件下旋轉風力機葉片振動頻率的變化規律，分析了四個因素對旋轉風力機葉片覆冰振動頻率的影響程度，但對覆冰條件下旋轉風力機葉片位移響應及振型變化情況無法用直觀的數據體現，因此，利用數值模擬方法分析旋轉風力機葉片覆冰振動位移響應及振型變化。

2.1 模型構建

從PROFILI軟件庫中查得NACA4412翼型風力機葉片截面數據(表5)，根據數學坐標轉換原理，得到翼型二維坐標(表6)，利用SOLIDWORKS軟件生成截面、放樣、完成風力機葉片三維實體造型，再將風力機葉片與支撐架進行裝配，建立的某1.5 MW風力機三維模型如圖9所示。

表5 翼型截面參數

表6 翼型二維坐標

圖9 風力機三維模型

將建立的風力機三維模型導入ANSYS軟件，添加玻璃鋼材料屬性，進行網格劃分，在葉片根部添加約束，進行模態分析。計算得到未覆冰葉片靜止狀態下基本頻率為0.752 Hz。風力機共振安全范圍必須滿足葉片基本頻率大于其轉速頻率三倍的20%[12]。

該葉片轉速頻率為1 Hz，葉片基本頻率大于0.6 Hz，設計合理。葉片固有頻率與階數呈正相關，固有頻率計算值變化趨勢與文獻[13-14]研究結果基本吻合，驗證了所建立模型及計算結果的準確性。葉片前3階固有頻率如表7所示。

表7 靜止狀態下葉片前3階固有頻率

2.2 覆冰狀態旋轉風力機葉片諧響應分析

結合2.1節建立的風力機三維模型，通過添加試驗測得的風力機葉片振動加速度譜，采用ANSYS軟件進行諧響應分析，得到測點1在覆冰厚度分別為2、6 mm時葉片前3階模態圖(圖10、圖11)。分析結果表明不同覆冰狀態下葉片振型變化無明顯差異，前三階振型為1階頻率對應揮舞1階振型，2階頻率對應擺振1階振型，三階頻率對應揮舞2階振型。測點1覆冰厚度由2 mm增加到6 mm時葉片前3階位移響應值分別由0.011、0.003、0.001 mm增加到0.556、0.119、0.055 mm，位移響應值改變明顯。

圖10 覆冰厚度為2 mm時葉片前3階模態圖

圖11 覆冰厚度為6 mm時葉片前3階模態圖

3 結論

采用試驗研究和數值模擬相結合的方法探究了覆冰條件下旋轉風力機葉片的振動特性及其變化規律，分析了覆冰條件下溫度、濕度、風速、運行時間四個因素對旋轉風力機葉片振動頻率的影響，得到結論如下。

(1)覆冰條件下，旋轉風力機葉片振動頻率在Z方向(擺振)變化顯著，在X、Y方向(弦向、展向)無明顯變化。旋轉風力機葉片氣動中心線上各測點覆冰厚度相同時，葉片振動頻率由葉尖至葉根逐漸降低。

(2)覆冰條件下，旋轉風力機葉片覆冰厚度增加，其氣動中心線上各測點振動頻率均減小，位移響應增大，位移響應值改變明顯，其中，葉尖覆冰對葉片振動頻率影響最大。

(3)覆冰條件下，旋轉風力機葉片運行環境溫度和濕度變化對葉片振動特性的影響較大。研究結果可為覆冰條件下風力機運維策略選擇及葉片覆冰安全監測提供理論參考。