大型风力机是一个复杂的流-固耦合系统,细而长的叶片具有无穷多个弯曲和扭转振动模态,随机流动的空气功效在叶片上,除了产生空气动力带动风轮旋转,还会使风机产生气动弹性问题,包括静态发散现象、颤振问题、风轮与塔架耦合稳定性问题等。
风力发电机叶片颤振是不稳定的自激振动,当叶片在流场功效下产生变形或运动,而叶片的变形或运动反过来又影响流场,从而改变流体在叶片表面上的载荷大小和分布。
叶片在气动力、重力和离心力功效下,其主要振动形式有:
挥舞,是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动;
摆振,是指叶片在旋转平面内的弯曲振动;
扭转,是指叶片绕其变距轴的扭转振动。
这三种机械振动和气动力交织功效,形成气动弹性问题。如果这种相互功效是减弱的,则振动稳定,否则会出现颤振和发散。颤振又称为“气动弹性不稳定”。
气动弹性稳定性问题主要分成两类:
第一类是气动弹性静态不稳定问题,称为发散问题,这类问题可以通过剖析叶型的升力阻力曲线和叶片的扭转弹性力来进行研究,剖析起来较为容易,已经得到较好的解决。
第二类是气动弹性动态不稳定性问题,也就是颤振问题,这类问题是现在的研究重点,是桨叶在气动力影响下,产生一系列大幅值振荡或具有发散特质的挠曲。它可使飞行器结构、风机叶片破坏,建筑物和桥梁倒塌。
就空气动力学方面产生的理由而言,风力发电机叶片颤振问题可分为两类:
第一类颤振问题与气流分离和旋涡形成有关。这类颤振现象是风力机的升力系统处于失速攻角附近所产生的气动弹性失稳现象。这类颤振还会出目前具有非流线型剖面的高层钢结构建筑及某些高速旋转机械上。这类颤振有时称之为“驰振(galloping)”或“失速颤振(stall flutter)”。
第二类颤振由于发生在势流中,因此气流分离和边界层效应对颤振过程没有要紧影响。这类颤振是风机叶片扭转和挥舞产生的自激不稳定振动,其基本特征是流动基本附着无明显分离。它发生的条件是结构上的瞬时流体动力与弹性位移之间有相位差,因而使振动的结构有可能从气(或液)流中吸收能量而扩大振幅。这类颤振主要发生在航空航天飞行器结构的流线型剖面升力系统中,一般称为“经典颤振”。影响风机叶片颤振的原因大量,主要包括风轮叶片的结构动力参数、来流特质和风轮叶片所受的气动力。
国内外风力发电机叶片颤振研究近况
颤振剖析一般涉及弹性叶片的复杂结构特点与叶片周围非定常气流场特点的描述以及二者之间相互耦合机理的剖析,因此,叶片颤振边界的预测和颤振特质的剖析是一项很不简单的工作。
国内对风机叶片颤振抑制技术的研究始于20世纪80年代,宋兆泓对内蒙牧民用的50W双叶风力发电机叶片振动问题进行剖析,确认其问题起因是流体诱发的颤振引起的。为了排除问题,主要从防颤方面着手,提升叶片固有频率,改进重扭心位置和提升成型的工艺水平需要,设计了两种防颤的新叶型,即FD-01型与FD-02型,并进行了野外车载试验,证实了新型叶片防颤成效良好。因此在叶片设计中可通过适当调整结构的水平和刚度分布,改变固有频率或限定风机的转速,使叶片的固有频率避开系统的耦合振动时的频率的办法来预防颤振的发生。
风力发电机在运行中,叶片的旋转会使其固有频率略有改变,而且叶片在颤振时的固有频率是系统的耦合振动的频率。但是一般状况下,系统的耦合振动的频率同静止状况下单个叶片的自由振动频率很接近,所以单个叶片的动力学剖析及设计具有非常重要的意义。当叶片的固有频率与激振力的频率相同时就会发生共振,由于惯性不平衡力而引起的激振很难完全防止,因此在设计中可以改变叶片局部或全局结构的刚度等使振动尽可能减小,特别是要防止发生颤振。
在海外20世纪90年代引入射流达到减振成效的办法被提出,通过在叶片周围流场加入适当的干扰来抑制分离流动的进步,推迟叶片失速发生,达到减少叶片振动的目的。引入射流的办法有结构容易、响应飞速、控制便捷等优点,是一种比较时尚的干扰办法。Seifert等在引入射流控制叶片振动方面进行了一系列的试验,并证明引入适量射流可以推迟失速的发生角度。金琰在S806风力机翼型背部部分引入射流的减振技术,使用流固耦合的数值计算办法研究了其在大攻角(15°-50°)范围的颤振,结果表明了在翼型背部引入射流会减少振动,并基本上不影响翼型的升力系数。






