風力發電機葉片顫振產生原理及國內外研究現狀

一、風力發電機葉片顫振產生原理

大型風力機是一個復雜的流-固耦合系統，細而長的葉片具有無窮多個彎曲和扭轉振動模態，隨機流動的空氣作用在葉片上，除了產生空氣動力帶動風輪旋轉，還會使風機產生氣動彈性問題，包括靜態發散現象、顫振問題、風輪與塔架耦合穩定性問題等。

風機結構圖

風力發電機葉片顫振是不穩定的自激振動，當葉片在流場作用下產生變形或運動，而葉片的變形或運動反過來又影響流場，從而改變流體在葉片表面上的載荷大小和分布。

1、葉片在氣動力、重力和離心力作用下，其主要振動形式有：

揮舞，是指葉片在垂直于旋轉平面方向上的彎曲振動；

擺振，是指葉片在旋轉平面內的彎曲振動；

扭轉，是指葉片繞其變距軸的扭轉振動。

這三種機械振動和氣動力交織作用，形成氣動彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動穩定，否則會出現顫振和發散。顫振又稱為“氣動彈性不穩定”。

2、氣動彈性穩定性問題主要分成兩類：

第一類是氣動彈性靜態不穩定問題，稱為發散問題，這類問題可以通過分析葉型的升力阻力曲線和葉片的扭轉彈性力來進行研究，分析起來較為簡單，已經得到較好的解決。

第二類是氣動彈性動態不穩定性問題，也就是顫振問題，這類問題是目前的研究重點，是槳葉在氣動力影響下，產生一系列大幅值振蕩或具有發散特性的撓曲。它可使飛行器結構、風機葉片破壞，建筑物和橋梁倒塌。

3、就空氣動力學方面產生的原因而言，風力發電機葉片顫振問題可分為兩類：

第一類顫振問題與氣流分離和旋渦形成有關。這類顫振現象是風力機的升力系統處于失速攻角附近所產生的氣動彈性失穩現象。這類顫振還會出現在具有非流線型剖面的高層鋼結構建筑及某些高速旋轉機械上。這類顫振有時稱之為“馳振 （galloping）”或“失速顫振 （stall flutter）”。

第二類顫振由于發生在勢流中，因此氣流分離和邊界層效應對顫振過程沒有重要影響。這類顫振是風機葉片扭轉和揮舞產生的自激不穩定振動，其基本特點是流動基本附著無明顯分離。它發生的條件是結構上的瞬時流體動力與彈性位移之間有相位差，因而使振動的結構有可能從氣（或液）流中吸收能量而擴大振幅。這類顫振主要發生在航空航天飛行器結構的流線型剖面升力系統中，通常稱為“經典顫振”。影響風機葉片顫振的因素很多，主要包括風輪葉片的結構動力參數、來流特性和風輪葉片所受的氣動力。

二、國內外風力發電機葉片顫振研究現狀

顫振分析一般涉及彈性葉片的復雜結構特征與葉片周圍非定常氣流場特征的描述以及二者之間相互耦合機理的分析，因此，葉片顫振邊界的預測和顫振特性的分析是一項非常困難的工作。

我國對風機葉片顫振抑制技術的研究始于20世紀80年代，宋兆泓對內蒙牧民用的50W雙葉風力發電機葉片振動故障進行分析，確認其故障原因是流體誘發的顫振引起的。為了排除故障，主要從防顫方面著手，提高葉片固有頻率，改進重扭心位置和提高成型的工藝質量要求，設計了兩種防顫的新葉型，即FD-01 型與FD-02型，并進行了野外車載試驗，證實了新型葉片防顫效果良好。因此在葉片設計中可通過適當調整結構的質量和剛度分布，改變固有頻率或限定風機的轉速，使葉片的固有頻率避開系統的耦合振動時的頻率的方法來預防顫振的發生。

風力發電機在運行中，葉片的旋轉會使其固有頻率略有改變，而且葉片在顫振時的固有頻率是系統的耦合振動的頻率。但是一般情況下，系統的耦合振動的頻率同靜止狀態下單個葉片的自由振動頻率很接近，所以單個葉片的動力學分析及設計具有很重要的意義。當葉片的固有頻率與激振力的頻率相同時就會發生共振，由于慣性不平衡力而引起的激振很難完全避免，因此在設計中可以改變葉片局部或全局結構的剛度等使振動盡可能減小，特別是要避免發生顫振。

在國外20世紀90年代引入射流達到減振效果的方法被提出，通過在葉片周圍流場加入適當的干擾來抑制分離流動的發展，推遲葉片失速發生，達到降低葉片振動的目的。引入射流的方法有結構簡單、響應迅速、控制方便等優點，是一種比較流行的干擾方法。Seifert等在引入射流控制葉片振動方面進行了一系列的試驗，并證明引入適量射流可以推遲失速的發生角度。金琰在S806風力機翼型背部部分引入射流的減振技術，采用流固耦合的數值計算方法研究了其在大攻角（15°-50°）范圍的顫振，結果表明了在翼型背部引入射流會降低振動，并基本上不影響翼型的升力系數。

除以上兩種方法，國內外學者對風力機葉片氣動彈性問題以及其顫振抑制技術上的研究不勝枚舉。

1、Lbitz D W基于葉片的彈性FEM方程和非定常氣動力模型研究經典顫振特性，但是僅限于靜止風速下的旋轉葉片；

2、 Chaviaropoulos P基于葉片 FEM 方程研究揮舞 - 擺振葉片的顫振行為，重點研究的是揮舞 - 擺陣葉片的動力失速特性；

3、 李林凌對風機葉片及周圍氣體進行有限元分析推導出了風機葉片與周圍氣體耦合微分方程模型，利用模態分析理論對風機葉片顫振、噪聲輻射等情況進行分析，研究風機葉片與周圍流體耦合對葉片顫振、聲輻射的影響，得到風機葉片耦合頻率特性規律；

4、 黎少輝利用流固耦合特性，探討了氣動力脈動和風機葉片結構之間的關系，尋找失速顫振的頻率，有利于探明失速顫振的機理；

5、楊樹蓮介紹了智能材料用于飛行器葉片結構的顫振主動抑制例子及其效果分析，并提出了智能材料作為驅動器埋入復合材料槳葉結構，做成智能夾層在大型風力機葉片結構顫振主動控制應用中的發展方向；

6、劉虎平研究了風力發電機葉片典型剖面模型，本模型可以簡單、經濟和快捷地獲得失速顫振特性的主要結構和氣動影響參數，是驗證葉片揮舞/擺陣氣動彈性穩定性常用的一種有效的結構模型。通過該模型劉虎平研究了風力機葉片的彎扭耦合顫振問題，建立了葉型顫振模型及其運動微分方程，得出了葉片顫振的穩定性判據，驗證了研究風力機葉片氣動彈性動穩定性的關鍵工作在于確定氣動阻尼矩陣和氣動剛度矩陣，并采用龍格-庫塔方法分別求解了5種不同風速時風力機葉片運動微分方程，通過葉片運動規律的變化趨勢，證明了其葉片氣動彈性穩定性分析方法的正確性和有效性；

7、梁明軒根據葉片翼型數據，采用曲線擬合的方法建立了葉片的三維模型，用有限元軟件 ANSYS 模擬風流場，通過對葉片模態分析，得到葉片各階模態，發現葉片振動主要有扭轉、揮舞、擺振，以及三者之間的耦合。對于葉片氣動彈性問題進行研究，建立葉片顫振方程，確定葉片顫振發散條件。

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