风电叶片疲劳试验振动分析与研究.pdf

２０１３年第２期玻璃钢／复合材料５７风电叶片疲劳试验振动分析与研究萨昊亮，李成良，余启明，陈淳（１．武汉工业学院土木工程与建筑学院，武汉４３００２３；２．中材科技风电叶片股份有限公司，北京１０２１０１）摘要：风电叶片疲劳试验是验证叶片疲劳寿命的重要手段，本文针对风电叶片疲劳试验中出现的问题进行分析，重点围绕激振方式、激振振幅与振动次数的关系以及振动原理进行探讨，提出在实际操作中切实可行的解决方法。关键词：风电叶片；疲劳试验；振动分析；理论研究中图分类号：ＴＢ３３２———文献标识码ｉＡ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０２００５７０３风电叶片的设计使用寿命一般为２０年，如何在叶片设计阶段验证其疲劳寿命一直是叶片设计的重点和难点。众所周知，疲劳损伤是导致叶片损坏的主要原因之一，严重影响风电叶片的使用寿命和安全运行。由于叶片疲劳寿命分析的理论方法尚不成熟，单纯依靠理论计算的结果往往和实际有较大差距，因此风电叶片疲劳试验是检验其寿命和质量的关键一环，同时将实测数据与设计数据进行计较，可以有效验证理论分析的可靠性¨Ｊ。本文重点对风电叶片疲劳试验的振动原理进行理论分析，为从事叶片疲劳试验的测试人员提供理论依据和实践指导。１激振方式１．１单点激振单点激振是指只有一个加载点的激振方式，在叶片某截面安装激振系统，由激振系统偏心轮旋转产生的离心力对叶片施加交变恒幅载荷，通过调节偏心轮的转速和偏心轮的质量，使其旋转频率与叶片固有频率接近，进而产生共振达到激振效果，单点激振如图１所示。单点激振方式对试验设备和试验成本要求较低，是目前国内进行风电叶片疲劳试验的主要方式。图１单点激振示意图由于只有一个加载点，各截面的试验载荷与截面位置近似为线性关系，而叶片各截面的等效疲劳载荷与截面位置为凹曲线关系。由图２可知，各截面试验载荷与等效疲劳载荷相差较大，若从叶根开始包络试验载荷，则会导致其余截面试验载荷大幅超过等效疲劳载荷，存在不能有效验证叶片使用寿命的风险。因此，单点激振一般用于对疲劳安全系数较小的危险区域进行针对性测试，或分段验证叶片的疲劳寿命。图２单点激振各截面载荷曲线１．２多点激振多点激振是指通过多个加载点进行加载激振的试验方法，主要是通过液压升降设备，同时对叶片多截面进行同步加载和卸载，进而达到激振效果，示意图见图３。多点激振方式对试验设备和试验成本要求较高，目前只有国外少数的试验室可以进行多点加载。收稿日期：２０１２．１２－０３基金项目：国家高技术研究发展计划（２００９ＡＡ０３４５０３）作者简介：萨吴亮（１９８７一），男，硕士在读，主要从事风电叶片全尺寸试验研究。图３多点激振示意图剧强ｌ２５８风电叶片疲劳试验振动分析与研究２０１３年３月由于有多个加载点共同作用，并且可以精确调节各加载点的位置、载荷和振动频率，可以使叶片各截面的试验载荷近似于等效疲劳载荷，见图４。因此多点激振方式一般用于对叶片全截面进行等效疲劳载荷包络测试。图４多点激振各截面载荷曲线多点激振对试验场地和设备精度要求较高，试验前调试时间较长，据统计多点激振测试在国外有经验的测试机构至少需要一年以上，而单点激振则只需１至２个月准备时间，半年即能完成测试。本文针对国内普遍采用的单点激振方式进行分析与研究。２振幅与振动次数的关系根据等损伤原则，运用ＧＬ２０１０版中的Ｓ／Ｎ曲线公式如下：Ｒ，＋ｌＲ，Ｉ一｛２ＴＳ，—Ｒ，＋２（ＴＭｂ／Ｃ１６）Ｓ∑Ｄ＝ｎⅣ经转化：５肼＝［］其中，ｎ为试验振动次数；Ｎ为允许振动次数；Ｄ为疲劳损伤；Ｓ为危险截面幅值应力；Ｓ为危险截面均值应；Ｒ¨为材料分项系数。因此Ｓ、Ｓ¨、ｓ、、Ｒ均为常数。经转换得到振幅与振动次数的关系如下：ｓｌ【】＝由上式可知，若试验振幅偏小，振动次数呈指数级增加，若试验振幅不能达到要求，则会增加试验时间，严重影响试验进度，并大幅提高试验费用。因此如何有效调控振幅达到设计值是疲劳试验能否顺利进行的前提。鼬，ｃ｜｜２以３振幅调控原理根据振动力学分析振幅调控原理，假设叶片和激增系统的固定质量为，偏心轮质量为ｍ，偏心距为ｅ，转子的转动角速度为，叶片视为刚度为ｋ／２的两个并联弹簧，振动过程中所受阻力简化为与弹簧并联的阻尼系数为ｃ的阻尼器对系统的作用，建立叶片振动的力学模型，如图５所示。图５叶片振动的力学模型图根据文献［２］，可知：频率比为：Ａ：ｎ无阻尼时系统的固有频率为：√（－Ｏｎ相对阻尼系数为：一竺ｓ一２相位差为：ｃｈ＝ｔａｎ－１稳态振动的振幅为：‘而辛由式（８）、式（９）画出的不同阻尼系数情况下相位差和随频率比Ａ变化的曲线族，称为相频响应曲线和幅频响应曲线，见图６。Ｊ驯ｌＯＤ５习一一…０ｌ０９０。、０５０Ｃ－－ｌ０朋加１０１０２．０３．０４．０２＝，山０５０ｌ／／譬；厂２０１３年第２期玻璃钢／复合材料５９由幅频响应曲线可知，当Ａ＝１达到共振时，振幅最大为：日一一Ｕ一—√２专Ｍｃ由相频响应曲线可知，共振时相位差为９０。，叶片位置与转臂位置的关系见图７。图７共振时叶片位置与转臂位置的关系图根据以上分析可得以下结论：（１）在激振点位置不变即ｋ不变的情况下，叶片的最大振幅与偏心块质量ｍ成正比，与偏心轮悬臂长度ｅ成正比，与叶片和激振系统质量的开方￣／成反比，与阻尼系数ｃ成反比；（２）当电机频率接近叶片和激振系统整体的固有频率时，振幅会急剧变化；（３）当叶片达到最大振幅时，转臂位置为水平，则叶片达到共振。４振幅调控方法根据上述分析并结合工程实际，采取以下措施调节增大振幅：（１）采用大功率电动机，增加偏心块质量ｍ；（２）在功率不变的前提下，采用轻质电动机，减少固定质量；（３）锯掉叶尖部分，减少固定质量，降低阻尼Ｃ：（４）使用高精度变频器，以更接近共振频率。经实践检验，综合运用上述方法，可有效调控叶片振幅，达到理论振幅要求。５结论（１）多点激振主要用于全截面包络理论载荷的测试，单点激振主要用于对危险区域的针对性测试，并且对试验设备和费用要求较低，是目前国内风电叶片疲劳试验的主要方式；（２）振动次数与振幅的１Ｏ次方成反比，疲劳试验顺利进行的前提是有效调节振幅调；（３）根据振动力学分析结果，单点激振系统对叶片的最大激振振幅为荔。可通过改变电机功率、配重质量、锯掉叶尖等调节固定质量和阻尼Ｃ，同时配合使用高精变频器有效调控振幅，达到疲劳试验的理想水平。参考文献［１］石可重，赵晓路，徐建中．大型风电机组叶片疲劳试验研究［Ｊ］．—太阳能学报，２００１，３２（８）：１２６４１２６７．［２］林远东．偏心质量引起旋转系统振动的动力学研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００８，５：２９－３０．［３］倪振华．振动力学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，１９８９．５（１）：７９・８２．—［４］ＷｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｓＰａｒｔ２３：ＦｕｌｌｓｃａｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｔｅｓｔｉｎｇｏｆｒｏｔｏｒｂｌａｄｅｓＩＥＣ６１４００－２３［Ｍ］．［５］ＧＬ２０１０［Ｍ］．’‘ＡＡＬＹＳＩＳＡＮＤＲＥＳＥＡＲＣＨＵＤＹＡＭＩＣＴＥＳＴｏＷ王ＤＴＵＲＢｌＥＲ＿，Ｔ０ＲＢＬＡＤＥ———ＳＡＨａｏｌｉａｎｇ，ＬＩＣｈｅｎｇｌｉａｎｇ，ＹＵＱｉｍｉｎｇ，ＣＨＥＮＧＣｈｕｎ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｎｏｍａｔｅｃｈＷｉｎｄＰｏｗｅｒＢｌａｄｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｖｅｒｉｆｙｒｏｔｏｒｂｌａｄｅ￣ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｓｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｂｌａｄｅｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｂｏｕｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｉｂｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｉｍｅｓ．Ｆｅａｓｉｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｉｎａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎａｙｅａｌｓｏｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈ