大型風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載過(guò)程振動(dòng)特性研究*

文 | 李忠祥，劉衛(wèi)生，張欣，張磊安

大型風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載過(guò)程振動(dòng)特性研究*

文 | 李忠祥，劉衛(wèi)生，張欣，張磊安

風(fēng)能已經(jīng)成為世界上增長(zhǎng)最快的新能源，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，葉片的尺度也在相應(yīng)增加。葉片作為風(fēng)電機(jī)組最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的部件之一，其制造成本約占風(fēng)電機(jī)組總成本的20%－30%。眾所周知，疲勞損傷是導(dǎo)致葉片損壞的主要原因之一，嚴(yán)重影響著葉片的使用壽命和安全運(yùn)行，而理論計(jì)算往往和實(shí)際應(yīng)用有較大差距，因此風(fēng)電葉片疲勞試驗(yàn)是檢驗(yàn)其壽命和質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。疲勞強(qiáng)度是風(fēng)電機(jī)組葉片的一個(gè)重要參數(shù)，通常情況下葉片失效可歸結(jié)為共振應(yīng)力所引起的疲勞破壞。風(fēng)電機(jī)組葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于自身載荷及風(fēng)載荷作用，葉片上的氣動(dòng)力和力矩會(huì)發(fā)生周期變化，可能使葉片產(chǎn)生疲勞破壞。由于涉及到許多不確定性因素，對(duì)葉片疲勞進(jìn)行理論分析較為困難，或分析結(jié)果不一定準(zhǔn)確。要保證葉片的正常使用壽命在20年及以上，在投入使用之前，通常對(duì)樣件做疲勞加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其抗疲勞能力。在疲勞加載模式中，單點(diǎn)加載對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和成本要求比較低，是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的加載方式。單點(diǎn)加載是指只有一個(gè)加載點(diǎn)的激振方式，在葉片某截面安裝激振系統(tǒng)，產(chǎn)生交變疲勞載荷，迫使葉片做上下等幅振動(dòng)，以此完成風(fēng)電葉片全尺寸結(jié)構(gòu)的疲勞性能測(cè)試。

為了風(fēng)電葉片疲勞加載試驗(yàn)的順利進(jìn)行，本文首先設(shè)計(jì)一套單點(diǎn)疲勞加載系統(tǒng)，理論推導(dǎo)出風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并利用Matlab/simulink軟件建立仿真模型，可視化地得到葉片振幅與頻比的特征關(guān)系，最后通過(guò)風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)風(fēng)電葉片的疲勞加載試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載系統(tǒng)

一、疲勞加載方案

基于穩(wěn)定性、能耗等方面考慮，設(shè)計(jì)了一套偏心質(zhì)量塊回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電機(jī)組葉片疲勞加載系統(tǒng)。風(fēng)電葉片進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)時(shí)，根部通過(guò)若干個(gè)高強(qiáng)度螺栓固定在加載基座上。在加載點(diǎn)位置安裝一個(gè)疲勞加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由偏心塊、電動(dòng)機(jī)、葉片夾具、減速箱和電控系統(tǒng)等組成，其示意圖見(jiàn)圖1。

二、動(dòng)力學(xué)模型

風(fēng)電葉片在疲勞試驗(yàn)中被當(dāng)作一個(gè)沿縱向變質(zhì)量的懸臂梁，簡(jiǎn)化的振動(dòng)模型如圖2所示。

葉片揮舞方向受到的加載力為 u（t）時(shí)， 建立葉片動(dòng)力學(xué)方程，如式（1）所示：式中：m－葉片等效質(zhì)量；

圖1　風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載方案

k－葉片加載點(diǎn)等效剛度；

c－葉片等效阻尼；

u（t）－加載力。

將式（1）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，得葉片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，如式（2）所示：

根據(jù)上式建立葉片在載荷作用下的振幅x變化如式（3）所示：

根據(jù)式（3）得到影響葉片振幅的主要因素為：剛度、阻尼、頻比（頻比定義為加載頻率與葉片固有頻率的比值）和加載力。進(jìn)一步得到葉片振幅放大系數(shù)與頻比的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3可以得出：在激振力 u（t）作用下，葉片振幅放大系數(shù)受頻比λ影響較大。λ越接近于1，葉片的振幅放大系數(shù)越大，即振幅越大。

圖2　葉片振動(dòng)模型

圖3　振幅放大圖

圖4　風(fēng)電葉片疲勞加載試驗(yàn)

表1　試驗(yàn)參數(shù)

風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載試驗(yàn)

一、試驗(yàn)過(guò)程

以葉片最大弦向?yàn)槔瑢L(fēng)電葉片根部通過(guò)高強(qiáng)度螺栓固定在筒型加載支座上，沿葉片展向70%處固定疲勞加載驅(qū)動(dòng)裝置，葉片振幅的測(cè)量通過(guò)激光測(cè)距儀完成，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

疲勞加載試驗(yàn)采用多級(jí)變幅加載模式，并按照高－低加載順序。由于疲勞加載試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，采集數(shù)據(jù)量較大，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，實(shí)時(shí)記錄葉片振動(dòng)次數(shù)與當(dāng)前幅值?；贚abview軟件編寫的監(jiān)控界面如圖5所示。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)定變頻器輸出不同的頻率，分別為0.76Hz、0.78Hz和0.82Hz，得到不同加載頻率驅(qū)動(dòng)下葉片振幅的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可得，當(dāng)加載頻率為0.78Hz時(shí)，小于葉片的固有頻率，此時(shí)葉片穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的振幅較小，約為150mm；當(dāng)加載頻率為0.78Hz時(shí)，等于葉片的一階固有頻率，穩(wěn)定后葉片振幅最大，約為400mm，認(rèn)為兩者發(fā)生共振現(xiàn)象，基本能滿足疲勞加載試驗(yàn)的要求；當(dāng)繼續(xù)增大驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到0.82Hz時(shí)，由于與共振頻率偏離較大，振幅變得絮亂。上述結(jié)論驗(yàn)證了之前的數(shù)學(xué)模型和仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5　監(jiān)控界面

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套偏心質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載系統(tǒng)，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

（一）推導(dǎo)出風(fēng)電葉片單點(diǎn)疲勞加載動(dòng)力學(xué)模型，得出影響葉片振幅大小的一系列參數(shù)，如剛度、阻尼、頻比和加載力等。

（二）利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型，得出在不同頻比下的葉片振動(dòng)曲線振幅放大曲線。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出：當(dāng)加載頻率和葉片的一階固有頻率相同時(shí)，葉片振幅最大且最穩(wěn)定，偏離共振頻率越大，振幅衰減的越厲害。

圖6　不同加載頻率下，葉片振幅變化曲線

（三）風(fēng)電葉片進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)的加載頻率應(yīng)與葉片的一階固有頻率相同，此時(shí)葉片穩(wěn)定振幅達(dá)到最大，試驗(yàn)周期最短，加載效率最高。

（作者單位：李忠祥、劉衛(wèi)生，張欣：連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司；張磊安：山東理工大學(xué)）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51405275）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EL027）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2015M571840）