风力机风轮叶片振动特性分析

《风力机风轮叶片振动特性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第25卷第11期电力科学与工程VO1．25．N0．1l242009年11月ElectricPowerScienceandEngineeringNOV．，2009风力机风轮叶片振动特性分析张礼达，陈荣盛，张彦南，王旭(西华大学能源与环境学院，四川成都610039)摘要：利用ANSYS软件，对20kW风力机的风轮叶片进行了有限元分析，得到了风力机风轮叶片上不同阶次的振动频率数据。这些数据可以为风力机运行的改善提供参考。关键词：风力机；风轮叶片；有限元；振动频率中图分类号：TM614文献标识码：A表1叶片部分相关参数0引言风轮直径／ml0．9叶片长／m5叶片数3风能是空气流

2、动所产生的动能，是一种取之不风轮扫掠面积，93_3尽、无任何污染的可再生能源。风速时刻都在变翼型NACA63-621，FXS66-196化。记录表明，在0．25S内，风速可以由27m／s额定功率／kw20突变到37m／s。这些阵风为风力机提供了变化的额定转速／(r·min)72额定风速／(m-S)9．5气动外载。风速不仅大小变化，方向也会变化，随最大抗风／(m·S)60着风向的变化，风轮轴作对风调向运动，从而产生陀螺力矩，它作用在叶片上是一种变化的惯性载荷。除此之外，对于大型风力机，叶片自身的重量也是不可忽视的载荷，这个载荷对转动的叶片也是不断变化的。在这些因素的共同

3、作用下，风力机在运行的过程中，很容易出现颤振，导致叶片破坏。因此，对风轮叶片进行有限元分析，研究工程机械图1风轮叶片三维实体模型的固有频率和振型，从而预计和分析其在外载荷作用下的结构动力学特性，显得十分必要。1风轮叶片模型概况本文以一额定功率为20kW风力机的风轮叶片作实例计算对象(图1～图2)，其部分相关参数如(表1)所示。根据文献，风轮单位扫掠面上推力载荷取为t~ot=300N／m作用在风轮上总的载荷为图2风轮三维实体模型收稿日期：2009—08—25．基金项目：四川省重点学科基金资助项目(SZD412)．作者简介：张礼达(1954一)，男，西华大学能源与环境学院

4、教授第11期张礼达，等风力机风轮叶片振动特性分析25。t。r0I300(Ns)93·3m=2799oN2叶片的动力学分析这个载荷由3个叶片共同承受，并且以三角形模式线形分布(如图3)，在叶根端处最小为0，而将已经保存好的叶片三维模型文件IGES导入在叶尖处达到最大为3．732N／m。每个叶片应当ANSYS中，进行叶片的模态分析。采用玻璃纤维承受的极端载荷为增强复合材料(GRP)，其材料性能参数见表2。Tbladc阜百一279_~90N：一9．’33kN最后得到ANSYS计算结果。读取ANSYS通用处理器结果，得到风力机叶片在前十一阶次下的=了2×5m×9各个频率及各个

5、振型，如(图4a～图4k)所示。．33kN=31．1kN·m。叶片静止时(零转速)，前十一阶固有频率如表3所示。从图中可以看出，叶片前六阶振型中，第一阶主要形式为挥舞振动，第二阶振动形式主要为摆振。前几阶均以挥舞及摆振及其相互耦合振动为主，即挥舞和摆振为风力机风轮的主要振动。七阶挥舞加扭振，直到第十一阶振型，才能明显看出扭转振动的影响。(1)从计算结果可知，风力机叶片挥舞振动图3叶片上的载荷分布及摆振振动的频率较低，扭转振动的频率较高。表2材料性能参数(a)一‘阶模态(b)二阶模态(c)三阶模态(d)四阶模态26电力科学与工程2009往(e)五阶模态(f)六阶模态(g

6、)七阶模态(h)八阶模态(i)九阶模态(j)十阶模态(k)十一阶模态图4叶片各模态振型表3叶片静止时的固有频率第11期张礼达，等风力机风轮叶片振动特性分析27(2)计算表明，在风力机叶片的振动中，挥舞风轮叶片进行模态分析，得到风力机叶片1到11振动和摆振振动的耦合振动将起主要的作用而扭转阶的频率及振型。风力机叶片1阶频率与其固有频振动的影响较小。率相近，因此认为其一阶频率为风力机叶片的固有(3)由于风力机叶片的叶根部位不完全等价于频率。分析结果基本符合选用20kW风力机的数固定支承，因此计算的频率值可能比实际值高。据。因此，风力机在运行时，应使风轮叶片的旋转(4)在常

7、规机械振动的共振分析和响应计算中，频率避开叶片固有频率整数倍范围，避免发生共振。I1¨十的固有振荡频率是非常重要的参数。实际运行参考文献：中，叶片的旋转会使其固有频率有所改变；而叶片在颤振时的固有频率是系统的藕合振动频率。但在一[1】李俊峰．2008中国风电发展报告[M]．北京：环境科学般情况下，系统的耦合振动频率同静止状态下单个出版社，2008．叶片的自由振动频率接近。因此，认为单一叶片的f2】GaschR，TweleJ．WindPowerPlants：Fundamentals，自由振动频率便是其运行时的固有振动频率。Design，Construc