大型风力发电机旋转叶片结构动力特性分析

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1、第33卷第11期可再生能源Vol.33No.112015年11月RenewableEnergyResourcesNov.2015大型风力发电机旋转叶片结构动力特性分析胡国玉，孙文磊，金阿芳（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047）摘要：大型风力发电机叶片的结构动力特性是叶片结构设计时考虑的重要方面，其固有自振频率对于整个风力机的安全运行具有重要意义。文章基于现代柔性多体动力学理论和有限元数值分析相结合的方法，对5MW风力发电机叶片的固有振动特性进行分析。结合复合材料叶片结构特性及结构参数，建立了5MW风机复合材料叶片有限元模型

2、，计算了考虑动力刚化及阻尼效应影响下的固有频率和振型，揭示了动力刚化效应对叶片固有频率的影响规律；并结合坎贝尔图，对叶片进行了共振分析，为叶片的结构设计及优化提供了参考依据。关键词：风力发电机；复合材料叶片；动力刚化；模态振型；坎贝尔图中图分类号：TM614文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）11-1652-06DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.11.0100引言变，因此，在叶片外形、结构形式和厚度确定的情随着风力发电机不断朝着大型化方向发展，况下，要使叶片的固有自振频率不落入共

3、振区，叶片的柔性和几何非线性增加、结构刚度降低，在需要确定叶片结构的振动特性，即固有频率和振[5]，[6]气动载荷作用下易产生振动和变形，随之而来的型。综上所述，在大型风力发电机叶片结构设就是共振风险。共振能引起剧烈的载荷，轻则减弱计中考虑其复合材料结构特性，分析叶片与刚控制系统效能，重则可导致叶片结构失效甚至断度、阻尼和质量等固有振动特性相关的稳定性以裂，尤其当遭受阵风或极限载荷时，产生失效破及刚度共振等问题越来越重要。[1]，[2]坏。近年来，复合材料在风机叶片上的应用越此外，大型风力发电机叶片在旋转时，产生来越广泛，使得叶片材料

4、朝着低成本、高性能、柔惯性离心力，使得叶片绕旋转轴旋转时产生动力[3]性化和轻量化的方向发展。为了避免大型风力机刚化现象，从而影响叶片的刚度和自振频率。因叶片在复杂的外在激励作用下产生共振，研究风此，在研究旋转叶片的动力特性时，需要考虑动[7]力机叶片固有自振频率对于整个风力机的安全运力刚化对其固有振动特性的影响。本文基于美行具有重要意义。叶片的外部形状根据其气动性国可再生能源实验室用于研究比较的概念型海[8]能一经确定，与叶片自身固有频率相关的主要因上风力机NREL5MW三叶片风机叶轮叶片为素包括叶片截面形式和厚度分布等也一并确定。

5、研究对象，应用现代柔性多体动力学理论和有限因此，复合材料叶片结构特性及结构参数对其固元数值分析相结合的方法，对NREL5MW风力有频率有着重要影响。在已有的研究中，刘旺玉研发电机叶片的固有振动特性进行分析，研究叶片究了叶片复合材料铺层角度对叶片固有频率的影的振动频率和振型的变化规律，并且探讨了旋转[4]响。陈晨讨论了叶片结构参数（弦长、扭角等）对叶片动力刚化及阻尼效应对其振动特性的影叶片固有频率的影响。由于复合材料叶片各个方响。向的弹性模量随着增强纤维布置方向的改变而改1叶片有限元动力特征方程收稿日期：2015-04-23。基金项目：

6、国家自然科学基金项目（51565055）；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2011211A002）。作者简介：胡国玉（1977-），女，副教授，研究方向为风机结构动力学。E-mail：xjhuguoyu@126.com通讯作者：孙文磊（1962-），男，教授，博士生导师，研究方向为CAD/CAE/CAM工程技术、在逆向工程中复杂曲面重构技术的开发应用、机械学科领域。·1652·胡国玉，等大型风力发电机旋转叶片结构动力特性分析叶片元素在挥舞方向上单位长度的时变载荷若假设沿叶片单位长度质量m（r）的变化与q（r，t）在其叶片展向半径r上

7、的运动方程为单位长度的阻尼变量成正比，即：22R坠坠xm（r）x咬+c赞（r）x觶+坠r2[EI（r）坠r2]=q（r，t）（1）乙c赞（r）ui（r）uj（r）f觶j（t）dr（i≠j）（8）0式中：r为叶片展向半径；x为挥舞方向的位移；I因此，可以消除等式（6）左边的所有交叉项，通过化简得到随时间变化的载荷模态反应的基本（r）为叶片横截面弱主轴惯性矩；m（r）和c赞（r）分别方程：为单位长度叶片的质量和阻尼；EI（r）为单位长度R叶片的抗弯刚度。m咬f（t）+mf（t）+mw2f（t）=u（r）q（r，t）dr（9）iiiiiii

8、乙i0悬空叶片对波动的气动载荷的动态响应可以R2用模态分析方法进行有效评估，由各种不同固有式中：mi=乙ui（r）m（r）dr为广义质量，定义0振动模态引起的激励，分别对其进行计算并将结RR赞（r）u2（r）dr和Q（t