董映龍, 成 斌, 張 惠, 李西洋, 吳海艷

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003)

在全球經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向節(jié)能和環(huán)境保護(hù)階段，綠色已成為全球能源治理的主色調(diào)，風(fēng)能作為可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，其開發(fā)和利用成為了全球關(guān)注的焦點(diǎn)。新疆風(fēng)能資源豐富，各大風(fēng)場(chǎng)分布區(qū)域冬季寒冷，空氣濕度較高，風(fēng)力機(jī)葉片覆冰現(xiàn)象十分普遍[1]。風(fēng)力機(jī)葉片覆冰導(dǎo)致功率損失[2]，也會(huì)引起額外的過載及振動(dòng)，從而降低葉片使用壽命，嚴(yán)重時(shí)造成葉片損壞甚至風(fēng)機(jī)倒塌[3]。

鑒于風(fēng)力機(jī)葉片覆冰帶來的危害，近年來人們對(duì)覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的研究越來越重視。譚海輝等[4]、郝艷捧等[5]利用ANSYS、FLUENT等軟件計(jì)算得到了風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)頻率與幅值之間的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)雨凇覆冰對(duì)發(fā)電機(jī)組造成的功率損失較大，霧凇覆冰影響較小。劉勝先等[6]、雷利斌等[7]對(duì)不同覆冰狀態(tài)下的風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行動(dòng)力特性模擬試驗(yàn)，從葉片的曲率模態(tài)參數(shù)中提取出判斷風(fēng)力機(jī)葉片覆冰參數(shù)的特征值指標(biāo)。Sudhakar等[8]、Edison等[9]采用有限元法和計(jì)算多相流體動(dòng)力學(xué)方法分析了覆冰狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明葉片固有頻率和阻尼取決于沿葉展方向的覆冰質(zhì)量分布，覆冰量增加，葉片固有頻率降低。

綜上，風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全有效運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。目前，中國(guó)針對(duì)覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的研究主要通過數(shù)值和仿真計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，相關(guān)試驗(yàn)研究較少。同時(shí)，由于不同地域之間氣候條件的差異性，溫度、濕度、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間等因素對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)特性的影響程度也不盡相同。因此，針對(duì)新疆地區(qū)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)特性進(jìn)行深入研究具有重要意義。

1 旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)試驗(yàn)

為模擬旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，研究不同覆冰狀態(tài)(覆冰厚度和覆冰位置)下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性及其變化規(guī)律，分析溫度、濕度、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間等因素對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)特性的影響，以新疆風(fēng)力機(jī)葉片為研究對(duì)象，在自然環(huán)境下搭建了旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)。

1.1 材料與方法

由于實(shí)際機(jī)型過于龐大，不利于試驗(yàn)的開展，因此試驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)模型為按1:12.5縮小的1.5 MW風(fēng)力機(jī)，為反映風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)際覆冰情況，選用NACA4412翼型的玻璃鋼葉片，葉片展長(zhǎng)為1.6 m，攻角為3°。風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)整機(jī)模型如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)整機(jī)模型

試驗(yàn)動(dòng)力輸入裝置為1380型軸流風(fēng)機(jī)，提供恒定均勻風(fēng)速，功率為1.1 kW，風(fēng)量45 000 m3/h，電壓380 V，可調(diào)風(fēng)速為0～20 m/s(風(fēng)力等級(jí)0～8級(jí))。

試驗(yàn)利用高壓霧化噴水裝置調(diào)節(jié)試驗(yàn)環(huán)境濕度，噴淋系統(tǒng)由高壓水泵(24 W)和3個(gè)高壓細(xì)水霧噴頭組成，單個(gè)噴頭噴霧直徑達(dá)1 m，通過調(diào)節(jié)噴頭處的水壓調(diào)節(jié)水滴直徑大小。

試驗(yàn)因素測(cè)量裝置包括高精度溫濕度儀(可記錄208萬組數(shù)據(jù))、標(biāo)志GM100超聲波測(cè)厚儀(分辨率0.1 mm)、游標(biāo)卡尺、AM-4201手持式數(shù)字風(fēng)速儀。旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰試驗(yàn)示意圖

圖3 風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，以4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)頻率和覆冰厚度為響應(yīng)指標(biāo)，采用環(huán)境激勵(lì)(風(fēng)激勵(lì))和多點(diǎn)拾振的方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，探究不同覆冰狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性及其變化規(guī)律，振動(dòng)信號(hào)由三軸加速度傳感器獲取，選用NI-9230數(shù)據(jù)采集卡，其各通道具有內(nèi)置抗混疊濾波器，可自動(dòng)調(diào)整至采樣率，配合NI采集軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并分析。試驗(yàn)中通過集流滑環(huán)將旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定輸出到數(shù)據(jù)采集卡。

通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰主要集中在葉片迎風(fēng)面的前沿。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)所布置的4個(gè)測(cè)點(diǎn)分布于葉片氣動(dòng)中心線上且均靠近葉片前緣[10]。葉片展長(zhǎng)為R(1.6 m)，由葉尖至葉根依次粘貼傳感器并進(jìn)行編號(hào)(1～4測(cè)點(diǎn))，各測(cè)點(diǎn)距離葉根距離分別為0.85R、0.55R、0.35R、0.2R，傳感器測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，葉片擺振方向?yàn)閆方向。

1、2、3、4為測(cè)點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，試驗(yàn)于2018年12月—2019年1月進(jìn)行，以確保自然環(huán)境溫度完全滿足試驗(yàn)要求，在石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室完成。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了“四因素三水平”L9(34)正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素為溫度(T)、相對(duì)濕度(Φ)、風(fēng)速(v)、運(yùn)行時(shí)間(D)，進(jìn)一步分析各因素對(duì)覆冰狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片Z方向振動(dòng)頻率的影響。由于風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)際運(yùn)行過程中環(huán)境溫度難以維持恒定數(shù)值，可將溫度因素設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)，試驗(yàn)方案因素組合水平如表1所示。

表1 因素組合水平

試驗(yàn)步驟：將風(fēng)力機(jī)模型置于自然環(huán)境中，采用高精度溫、濕度儀實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄葉片周圍溫濕度變化情況；當(dāng)溫度、濕度達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)要求時(shí)開啟軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)速調(diào)至啟動(dòng)風(fēng)速(4 m/s)；風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行時(shí)間按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行；運(yùn)行旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)并采集數(shù)據(jù)。

1.3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行平穩(wěn)后開始采集葉片振動(dòng)信號(hào)，采樣時(shí)間不少于1 min。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，最終試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)平均值，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

1.4 結(jié)果與分析

1.4.1 覆冰位置對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的影響

為探究旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)中心線上各位置在不同覆冰狀態(tài)下的振動(dòng)頻率及其變化規(guī)律，以試驗(yàn)9為例，試驗(yàn)獲得旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰分布如圖5所示。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將氣動(dòng)中心線上各測(cè)點(diǎn)頻率有效值(頻率均方根)隨著覆冰厚度、覆冰位置的變化規(guī)律以三維關(guān)系圖表示，頻率有效值變化趨勢(shì)如圖6所示。

縮放比例1:1

圖6 不同覆冰厚度時(shí)各測(cè)點(diǎn)頻率有效值變化趨勢(shì)

分析圖5可知，實(shí)際運(yùn)行過程中旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰厚度和覆冰位置隨風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化而改變。覆冰條件下風(fēng)力機(jī)葉片前緣最先覆冰，葉尖處覆冰量最大，葉根處覆冰較少；隨著風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)間增加，葉片覆冰厚度不斷增加，覆冰面積逐漸覆蓋整個(gè)迎風(fēng)面，葉片背風(fēng)面靠近前緣處也出現(xiàn)少量覆冰。

分析圖6可知，覆冰條件不變，葉片覆冰厚度相同時(shí)，葉尖至葉根在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)頻率均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，降低規(guī)律為非線性曲線變化，其中Z方向頻率變化顯著，X、Y方向頻率變化不明顯。

1.4.2 覆冰厚度對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的影響

以試驗(yàn)9為例，測(cè)點(diǎn)1覆冰厚度分別為2、6 mm時(shí)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片Z方向加速度頻譜圖和時(shí)域波形，如圖7、圖8所示。分析圖7、圖8并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。由表3可知，旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)以低頻振動(dòng)為主，覆冰厚度增加，葉片振動(dòng)頻率降低，振動(dòng)響應(yīng)增加。

圖7 覆冰厚度2 mm時(shí)葉片加速度頻譜和時(shí)域波形

圖8 覆冰厚度6 mm時(shí)葉片加速度頻譜和時(shí)域波形

表3 覆冰厚度為2、6 mm時(shí)葉片振動(dòng)特性對(duì)比

1.4.3 旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)影響因素分析

正交試驗(yàn)相關(guān)理論表明極差值與因素重要程度密切相關(guān)[11]，結(jié)合旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過極差值判定四個(gè)因素對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的影響，從而確定四個(gè)因素間的主次關(guān)系。利用MINITAB對(duì)覆冰狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片在Z方向最大振動(dòng)頻率時(shí)四個(gè)因素進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 最大振動(dòng)頻率時(shí)各因素極差分析

由表4可知，風(fēng)力機(jī)葉片覆冰運(yùn)行時(shí)，溫度變化對(duì)葉片振動(dòng)的影響最大，運(yùn)行時(shí)間對(duì)葉片振動(dòng)的影響最小，濕度和風(fēng)速對(duì)葉片振動(dòng)的影響介于兩者之間。

綜上，覆冰條件下，四個(gè)因素對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)特性的影響程度由大到小依次為溫度、濕度、風(fēng)速和運(yùn)行時(shí)間。究其原因，風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行環(huán)境溫度和濕度變化直接引起葉片覆冰狀態(tài)發(fā)生變化，覆冰載荷增加，固有頻率降低，葉片振動(dòng)頻率接近其固有頻率時(shí)葉片振動(dòng)加劇。

2 覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)值模擬分析

通過旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)試驗(yàn)研究了覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)頻率的變化規(guī)律，分析了四個(gè)因素對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)頻率的影響程度，但對(duì)覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片位移響應(yīng)及振型變化情況無法用直觀的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，因此，利用數(shù)值模擬方法分析旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰振動(dòng)位移響應(yīng)及振型變化。

2.1 模型構(gòu)建

從PROFILI軟件庫中查得NACA4412翼型風(fēng)力機(jī)葉片截面數(shù)據(jù)(表5)，根據(jù)數(shù)學(xué)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，得到翼型二維坐標(biāo)(表6)，利用SOLIDWORKS軟件生成截面、放樣、完成風(fēng)力機(jī)葉片三維實(shí)體造型，再將風(fēng)力機(jī)葉片與支撐架進(jìn)行裝配，建立的某1.5 MW風(fēng)力機(jī)三維模型如圖9所示。

表5 翼型截面參數(shù)

表6 翼型二維坐標(biāo)

圖9 風(fēng)力機(jī)三維模型

將建立的風(fēng)力機(jī)三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，添加玻璃鋼材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在葉片根部添加約束，進(jìn)行模態(tài)分析。計(jì)算得到未覆冰葉片靜止?fàn)顟B(tài)下基本頻率為0.752 Hz。風(fēng)力機(jī)共振安全范圍必須滿足葉片基本頻率大于其轉(zhuǎn)速頻率三倍的20%[12]。

該葉片轉(zhuǎn)速頻率為1 Hz，葉片基本頻率大于0.6 Hz，設(shè)計(jì)合理。葉片固有頻率與階數(shù)呈正相關(guān)，固有頻率計(jì)算值變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[13-14]研究結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了所建立模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。葉片前3階固有頻率如表7所示。

表7 靜止?fàn)顟B(tài)下葉片前3階固有頻率

2.2 覆冰狀態(tài)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片諧響應(yīng)分析

結(jié)合2.1節(jié)建立的風(fēng)力機(jī)三維模型，通過添加試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)加速度譜，采用ANSYS軟件進(jìn)行諧響應(yīng)分析，得到測(cè)點(diǎn)1在覆冰厚度分別為2、6 mm時(shí)葉片前3階模態(tài)圖(圖10、圖11)。分析結(jié)果表明不同覆冰狀態(tài)下葉片振型變化無明顯差異，前三階振型為1階頻率對(duì)應(yīng)揮舞1階振型，2階頻率對(duì)應(yīng)擺振1階振型，三階頻率對(duì)應(yīng)揮舞2階振型。測(cè)點(diǎn)1覆冰厚度由2 mm增加到6 mm時(shí)葉片前3階位移響應(yīng)值分別由0.011、0.003、0.001 mm增加到0.556、0.119、0.055 mm，位移響應(yīng)值改變明顯。

圖10 覆冰厚度為2 mm時(shí)葉片前3階模態(tài)圖

圖11 覆冰厚度為6 mm時(shí)葉片前3階模態(tài)圖

3 結(jié)論

采用試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探究了覆冰條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)特性及其變化規(guī)律，分析了覆冰條件下溫度、濕度、風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間四個(gè)因素對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)頻率的影響，得到結(jié)論如下。

(1)覆冰條件下，旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片振動(dòng)頻率在Z方向(擺振)變化顯著，在X、Y方向(弦向、展向)無明顯變化。旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)中心線上各測(cè)點(diǎn)覆冰厚度相同時(shí)，葉片振動(dòng)頻率由葉尖至葉根逐漸降低。

(2)覆冰條件下，旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰厚度增加，其氣動(dòng)中心線上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率均減小，位移響應(yīng)增大，位移響應(yīng)值改變明顯，其中，葉尖覆冰對(duì)葉片振動(dòng)頻率影響最大。

(3)覆冰條件下，旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行環(huán)境溫度和濕度變化對(duì)葉片振動(dòng)特性的影響較大。研究結(jié)果可為覆冰條件下風(fēng)力機(jī)運(yùn)維策略選擇及葉片覆冰安全監(jiān)測(cè)提供理論參考。