王明軍

隨著風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢(shì)的發(fā)展，葉片長(zhǎng)度也不斷增加，葉片斷裂事故時(shí)有發(fā)生。更有甚者，個(gè)別機(jī)組在并網(wǎng)風(fēng)速遠(yuǎn)低于切除風(fēng)速的情況下，投運(yùn)不久就出現(xiàn)了葉片斷裂。

大型風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的流一固耦合系統(tǒng)，在自然風(fēng)條件下運(yùn)行時(shí)，作用在機(jī)組上的空氣動(dòng)力、自身慣性力和彈性力等交變載荷會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或振動(dòng)，進(jìn)而對(duì)來(lái)流產(chǎn)生影響。因此，在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要滿足強(qiáng)度和剛度要求，還必須考慮葉片顫振問(wèn)題。顫振是當(dāng)升力面在氣流中以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，在氣動(dòng)力、慣性力及彈性力耦合作用下，剛好使物體維持等幅振蕩的一種自激振動(dòng)。風(fēng)速較高時(shí)，氣流攻角會(huì)很大，機(jī)組葉片發(fā)生顫振的可能性較大。然而，由于葉片受力復(fù)雜，葉片顫振涉及氣動(dòng)力特性和葉片固體動(dòng)力特性，目前對(duì)于該問(wèn)題的研究，主要集中在顫振臨界速度及顫振頻率等，國(guó)內(nèi)外對(duì)葉片動(dòng)氣動(dòng)彈性問(wèn)題的研究尚不多。

本文將就葉片受力、葉片振動(dòng)的基本原理及抑制葉片顫振的方法進(jìn)行闡述。

葉片氣動(dòng)彈性和顫振問(wèn)題

葉片在氣動(dòng)力、重力和離心力作用下，其主要振動(dòng)形式有：揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)。揮舞是指葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)：擺振是指葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)：扭轉(zhuǎn)是指葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這三種機(jī)械振動(dòng)和氣動(dòng)力交織作用，形成氣動(dòng)彈性問(wèn)題。如果這種相互作用是減弱的，則振動(dòng)穩(wěn)定，否則會(huì)出現(xiàn)顫振和發(fā)散。氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定主要分成兩類：第一類是氣動(dòng)彈性靜態(tài)不穩(wěn)定問(wèn)題，稱為發(fā)散，這類問(wèn)題可以通過(guò)分析葉型的升力阻力曲線和葉片的扭轉(zhuǎn)彈性力來(lái)進(jìn)行研究，分析起來(lái)較為簡(jiǎn)單;第二類是氣動(dòng)彈性動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性問(wèn)題，也就是顫振問(wèn)題。

一、葉片坐標(biāo)系與葉片振動(dòng)

根據(jù)GL規(guī)范建立葉片坐標(biāo)系，葉片坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于葉片根部，隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，其三個(gè)坐標(biāo)軸分別記為XR、YB、ZB，其中ZB與葉片變槳軸重臺(tái)xR垂直于ZB，對(duì)于上風(fēng)向機(jī)組，正向指向塔架方向，與葉輪軸線平行，也稱作葉片揮舞方向;YB垂直于xB和ZB，按右手定則確定，又稱作葉片擺振方向。葉片振動(dòng)主要有揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)，以及三者之間的耦合。在低階，以XR方向揮舞為主，揮舞變形是葉片振動(dòng)變形的主要形式，也是造成葉片破壞的主要原因。

二、葉片顫振及特點(diǎn)

由于大自然風(fēng)的隨機(jī)性、葉片動(dòng)力激擾的多樣性、葉片變形之間及變形與氣動(dòng)力之間的耦合性，風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)彈性問(wèn)題，屬于非線性結(jié)構(gòu)與氣流相互作用的多場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的范疇，涉及多門前沿學(xué)科的交叉與融合。

風(fēng)電機(jī)組葉片經(jīng)常要在失速工況下運(yùn)行的特點(diǎn)決定了它的動(dòng)力學(xué)失效與普通葉輪機(jī)葉片不同。風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)口氣流的相對(duì)速度w，遠(yuǎn)小于進(jìn)口馬赫數(shù)M，葉片由于進(jìn)氣攻角過(guò)大而失速，形成彎扭耦合振型的顫振。顫振的重要特征是存在顫振臨界狀態(tài)，即顫振臨界風(fēng)速和顫振臨界頻率。當(dāng)風(fēng)速低于顫振臨界風(fēng)速時(shí)，葉片對(duì)外界擾動(dòng)的響應(yīng)因受到阻尼作用而衰減;但當(dāng)風(fēng)速高于顫振臨界風(fēng)速時(shí)，葉片出現(xiàn)發(fā)散振動(dòng)或振幅隨風(fēng)速增加的等幅振動(dòng)。

風(fēng)電機(jī)組葉片的顫振通常分為：線性經(jīng)典顫振（經(jīng)典顫振）和失速非線性顫振（失速顫振）兩大類，這兩大類顫振經(jīng)常表現(xiàn)在葉片的揮舞方向和扭轉(zhuǎn)方向耦合（彎扭耦合）的振動(dòng)過(guò)程中，其中揮舞方向的失速顫振造成的發(fā)散不穩(wěn)定是葉片斷裂失效的重要原因。前者主要是流一固耦合引起的葉片扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，它通常發(fā)生在葉片處于附著流的情況下;后者主要是葉片在氣動(dòng)失速情況下發(fā)生的振動(dòng)。

（1）經(jīng)典顫振：是葉片扭轉(zhuǎn)和揮舞產(chǎn)生的自激不穩(wěn)定振動(dòng)，其特點(diǎn)是流動(dòng)基本附著，無(wú)明顯分離。它發(fā)生的條件是結(jié)構(gòu)上的瞬時(shí)流體動(dòng)力與彈性位移之間有相位差，因而使振動(dòng)的結(jié)構(gòu)有可能從氣流中吸收能量而擴(kuò)大振幅。影響葉片顫振的因素很多，主要包括葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)、來(lái)流特性和葉片所受的氣動(dòng)力。

（2）失速顫振：與氣流分離和旋渦形成有關(guān)。這類顫振是由于風(fēng)電機(jī)組的升力系統(tǒng)處于失速攻角附近而產(chǎn)生的氣動(dòng)彈性失穩(wěn)現(xiàn)象。

經(jīng)典顫振與失速顫振相比，是一類更加強(qiáng)烈的氣彈不穩(wěn)定現(xiàn)象，與葉片的彎扭耦合有關(guān)，表現(xiàn)為葉片按照擺振固有頻率進(jìn)行揮舞/擺振/扭轉(zhuǎn)的耦合振動(dòng)。

近年來(lái)，在極端風(fēng)速狀態(tài)下，經(jīng)常能檢測(cè)到另外一種處于經(jīng)典顫振和失速顫振臨界狀態(tài)的臨界顫振，該顫振發(fā)生時(shí)葉片處于一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。其中揮舞方向的臨界顫振引起的發(fā)散不穩(wěn)定，不僅能造成葉片斷裂失效，還經(jīng)常造成塔體攔腰折No

由于大型風(fēng)電機(jī)組葉片具有展向長(zhǎng)和剛度低的特點(diǎn)，經(jīng)典顫振問(wèn)題成為葉片動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。顫振分析一般涉及彈性葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征與葉片周圍非定常氣流場(chǎng)，以及二者之間相互耦合機(jī)理。

三、兩類顫振的產(chǎn)生

當(dāng)葉片受擾動(dòng)向上偏離平衡位置后，彈性恢復(fù)力使它向下方平衡位置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生作用于葉片重心的向上慣性力，因葉片重心在扭心之后，慣性力產(chǎn)生對(duì)扭心的力矩使葉片攻角減小，引起向下的附加氣動(dòng)力，加快葉片向下運(yùn)動(dòng);當(dāng)葉片運(yùn)動(dòng)到下方極限位置而返回向上運(yùn)動(dòng)后，出現(xiàn)相反的情況。整個(gè)過(guò)程中，空氣動(dòng)力是激振力，與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度的二次方成正比，與空氣對(duì)葉片的阻尼力成反比。因此，防止葉片顫振的最有效方法是使葉片重心前移以減小慣性力矩。

當(dāng)氣流沿某個(gè)方向吹向葉片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一種情況是，當(dāng)氣流攻角比較小時(shí)，氣流貼著葉片的上下表面流過(guò);另一種情況是，當(dāng)氣流攻角很大時(shí)，通過(guò)葉片下表面的氣流仍是貼壁流動(dòng)，而流過(guò)上表面的氣流出現(xiàn)分離?？諝鈩?dòng)力學(xué)把這種現(xiàn)象稱為失速，將對(duì)應(yīng)失速點(diǎn)的攻角稱為臨界攻角。在風(fēng)的作用下葉片會(huì)產(chǎn)生升力。在兩種情況中，葉片升力大小隨攻角的變化而變化。當(dāng)氣流攻角小于臨界攻角時(shí)，攻角愈大，升力愈大;當(dāng)超過(guò)臨界攻角時(shí)，則攻角愈大，升力愈小，這是葉片失速后的最大特點(diǎn)。

再者，當(dāng)葉尖以一定的速度相對(duì)根部做向上的彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，原來(lái)流場(chǎng)中的氣流相對(duì)于葉片的新位置就有了一個(gè)很小的角度差。這種攻角的變化會(huì)引起力的變化。若攻角小于臨界攻角，當(dāng)葉片向上做彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)升力變小。這種變小的升力對(duì)于葉片尖部向上的彎曲起到抑制作用。然而，若攻角大于臨界攻角，當(dāng)葉片向上做彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，升力是增加的。這種增大的升力對(duì)于葉片的向上彎曲運(yùn)動(dòng)起到了加強(qiáng)作用。在這種情況下，葉片的振動(dòng)會(huì)愈來(lái)愈強(qiáng)烈。通過(guò)顫振發(fā)生過(guò)程可以看出，顫振是由氣動(dòng)力、慣性力和彈性力交互作用的結(jié)果。抑制業(yè)片顫振

由于葉片顫振屬于流體誘發(fā)振動(dòng)中的氣動(dòng)彈性耦合自激振動(dòng)，涉及葉片的氣動(dòng)力與葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力兩方面的問(wèn)題，又與葉片造型、工藝等因素有關(guān)，因此，抑制葉片顫振是一項(xiàng)十分復(fù)雜的研究工作。目前主要是利用葉片型面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及利用復(fù)合材料葉片的振動(dòng)特性與氣動(dòng)彈性剪裁技術(shù)抑制顫振。

一、利用三心設(shè)計(jì)原理抑制顫振

葉片的三心設(shè)計(jì)與葉片顫振密切相關(guān)。葉片氣動(dòng)參數(shù)變化與葉型幾何參數(shù)變化對(duì)顫振特性影響的研究表明：前重心葉片的穩(wěn)定性較好，前扭心葉片的穩(wěn)定性較差。因此，在設(shè)計(jì)葉片時(shí)，在滿足其他條件的情況下，應(yīng)使葉型重心盡可能靠近葉片前緣。

葉片三心的變化對(duì)葉片穩(wěn)定性有很大的影響，因此，葉片防顫可從三心角度進(jìn)行調(diào)整：葉型的扭心靠近葉片前緣要比扭心靠后更容易失穩(wěn)，即扭心后置葉片較好。但在將葉片扭心后置時(shí)，其重心也將隨之后移，而重心前置葉片的穩(wěn)定性較好，顯然，重心位于扭心之前更為有益。此種情況下，如果非定常氣動(dòng)力心位于重心和扭心之間，葉片穩(wěn)定性較差，所以，沿葉尖到葉根方向形成氣動(dòng)力心、重心、扭心的分布，葉片有更好的穩(wěn)定性。對(duì)于扭心前置葉片，如果非定常氣動(dòng)力心位于重心之后，則對(duì)葉片的穩(wěn)定性不利，而位于扭心和重心之間，葉片有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

因此，對(duì)具體葉片來(lái)說(shuō)，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為氣動(dòng)力心離扭心、重心越遠(yuǎn)越好。對(duì)于前扭心葉片而言，氣動(dòng)力心靠近扭心較好;而對(duì)于后扭心葉片，氣動(dòng)力心遠(yuǎn)離扭心、重心而靠前些更好。

二、阻尼葉片抑制顫振

當(dāng)前，風(fēng)電機(jī)組的葉片材料主要為纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（利用如GRP），其阻尼性能是金屬材料的10～100倍，但是，在復(fù)雜交變應(yīng)力的作用下，普通復(fù)合材料葉片往往因顫振而遭到破壞。

目前，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，包括玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP），其中GFRP較為常用。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有良好的比剛度、比強(qiáng)度以及耐腐蝕性和良好的阻尼特性等優(yōu)點(diǎn)，但隨著風(fēng)電機(jī)組葉片尺寸的不斷增大，傳統(tǒng)葉片自身阻尼已不能對(duì)葉片顫振進(jìn)行有效抑制，因此，有必要對(duì)葉片做進(jìn)一步的阻尼處理。常用的阻尼處理方法有自由阻尼結(jié)構(gòu)層和約束阻尼結(jié)構(gòu)層。這兩種方法都屬于事后被動(dòng)處理，會(huì)受到葉片尺寸、重量以及阻尼層剝落等因素的制約。

共固化阻尼層復(fù)合材料可以解決以上兩種阻尼處理方法存在的問(wèn)題。該材料是直接將粘彈性阻尼材料作為鋪層嵌入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，如圖1所示。這樣既保證了材料有較高的結(jié)構(gòu)阻尼，又不易出現(xiàn)阻尼層剝落現(xiàn)象。阻尼葉片是將共固化粘彈性阻尼層復(fù)合材料用于風(fēng)電機(jī)組葉片，這樣可在滿足葉片比強(qiáng)度和比剛度要求的基礎(chǔ)上提高葉片的阻尼特性，有效地提高葉片抑顫能力。圖2為阻尼葉片截面示意圖。阻尼葉片的抑顫效果明顯，對(duì)擺振方向的抑顫效果優(yōu)于揮舞方向，這是由于共固化粘彈性阻尼層復(fù)合材料中阻尼層通過(guò)內(nèi)摩擦耗散掉部分?jǐn)[振動(dòng)能。且擺振方向的顫振頻率接近阻尼材料的最優(yōu)頻率。

三、利用氣動(dòng)彈性剪裁技術(shù)抑制顫振

利用復(fù)合材料的可塑性、鋪層剪裁性和非線性振動(dòng)特性，可以實(shí)現(xiàn)葉片氣動(dòng)彈性剪裁，以抑制顫振。葉片氣動(dòng)彈性剪裁就是利用復(fù)合材料改變?nèi)~片的固有振動(dòng)特性以及利用葉片的變形改變氣動(dòng)力特性，進(jìn)行葉片抑顫。

（一）利用復(fù)合材料改變?nèi)~片的固有振動(dòng)特性

復(fù)合材料葉片的振動(dòng)特性有如下幾點(diǎn)：

（1）復(fù)合材料的鋪層方向與次序，對(duì)葉片的振動(dòng)特性有很大的影響，即利用不同的鋪層方法，可以改變?nèi)~片的頻率、振型出現(xiàn)次序等。

（2）0°和較小角度（<30°）的鋪層，具有較高的抗彎剛度;+45°的鋪層抗扭剛度最高;90°以及非純45°交替鋪層，具有很好的抗橫向振動(dòng)性能。

（3）復(fù)合材料葉片外鋪層比內(nèi)鋪層對(duì)振動(dòng)特性變化的影響大。對(duì)稱鋪層葉片，具有較強(qiáng)的彎扭耦合特性，同時(shí)葉片會(huì)產(chǎn)生較大的靜變形。

（4）與同型鋼葉片相比，復(fù)合材料葉片的剛性強(qiáng)、頻率高、模態(tài)阻尼高，即抗振性較好。

（二）利用葉片變形改變氣動(dòng)力特性

設(shè)計(jì)具有優(yōu)良彎扭耦合性能的風(fēng)電機(jī)組葉片，利用復(fù)合材料鋪層實(shí)現(xiàn)葉片氣動(dòng)彈性剪裁，可以通過(guò)彎扭耦合效應(yīng)改變?nèi)~片的氣動(dòng)性能。發(fā)生彎扭耦合效應(yīng)時(shí)，葉片攻角也會(huì)改變。根據(jù)葉素動(dòng)量理論，攻角變化直接影響葉片運(yùn)行過(guò)程中的合速度。葉片在達(dá)到順槳狀態(tài)的過(guò)程中，彎扭耦合效應(yīng)可降低葉片所受載荷，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。

因此，鏡像對(duì)稱鋪層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)葉片彎扭耦合;在氣動(dòng)載荷作用下，葉片出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，沿葉片展向彎扭耦合變形量增加，且與截面相對(duì)位置呈非線性關(guān)系;葉片彎扭耦合性能隨蒙皮偏軸夾角的變化而改變。

（1）Ansys復(fù)合材料模塊可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大型風(fēng)電機(jī)組的葉片結(jié)構(gòu)鋪層，建立的葉片模型精度高、誤差小。通過(guò)CFD方法獲得的葉片氣動(dòng)載荷能細(xì)致描述葉片表面的受力情況，可提高數(shù)值模擬精度。

（2）隨著蒙皮偏軸夾角的增大，葉片彎扭耦合系數(shù)先增大后減小。當(dāng)蒙皮偏軸夾角為15°時(shí)，葉片具有足夠的揮舞剛度和擺振剛度，且彎扭耦合性能最佳，彎扭耦合系數(shù)達(dá)0.426。

結(jié)語(yǔ)

隨著新增機(jī)組的葉片長(zhǎng)度和柔性不斷增加，葉片損壞、斷裂概率也有所增加，可能帶來(lái)的損失巨大。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)彈性、振動(dòng)問(wèn)題及顫振產(chǎn)生的機(jī)理研究較少，因此，有必要對(duì)葉片振動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行更加深入研究。在葉片設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)采取各種有效措施抑制葉片顫振，避免因顫振導(dǎo)致葉片斷裂事故發(fā)生。