張建偉 代元軍 李保華 任常在

摘要：為找到不同幾何參數(shù)v型葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響，利用PULSE18.0結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析系統(tǒng)和ME scopeVES 5.1模態(tài)測(cè)試軟件結(jié)合瞬態(tài)激振法，選取振動(dòng)頻率范圍0-400Hz和特定激勵(lì)點(diǎn)，獲得葉輪的固有頻率；在低速風(fēng)洞中，通過三向振動(dòng)加速度傳感器測(cè)定額定風(fēng)速12 m/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度，并分析改型前后葉輪前三階振動(dòng)頻率。結(jié)果表明：3種葉片均在葉輪轉(zhuǎn)速375～625rad/min發(fā)生明顯振動(dòng)現(xiàn)象，葉輪在500rad/min一二階低頻時(shí)，V-1型葉尖葉片偏離值為5.6%和4.4%，發(fā)生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉片偏離值為3.4%和2.1%，發(fā)生共振的可能性較高，在三階時(shí)改型前后的偏離值超過20%發(fā)生共振的可能性都比較低。該結(jié)果對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片葉尖改型的設(shè)計(jì)和避免共振提供一定的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)；V型葉尖結(jié)構(gòu)；固有頻率；振動(dòng)頻率

0引言

為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，各國(guó)開始大力發(fā)展清潔能源，從上世紀(jì)七十年代以來人們?cè)絹碓街匾曪L(fēng)能的利用，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的主要利用方式之一。葉輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的主要組成部分，約占總成本的20%～30%，風(fēng)力機(jī)中葉輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重要指標(biāo)，因此，準(zhǔn)確獲得葉輪的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)尤為重要。

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)測(cè)試方面，國(guó)外研究較早，技術(shù)較為成熟，其研究主要集中在對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的改變和對(duì)葉片材料及其葉片結(jié)構(gòu)的開發(fā)，Van Holtan研究了葉片加小翼后小翼對(duì)葉輪擴(kuò)散效應(yīng)的影響，Van Bussel研究了葉片結(jié)構(gòu)改變對(duì)葉輪空氣動(dòng)力學(xué)的影響，Lissaman等對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了葉尖裝置的開發(fā)和測(cè)試，Shimizu等研究了葉片帶小翼及未帶小翼的葉片尖端的線速度變化。國(guó)內(nèi)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究起步較晚，只有少數(shù)的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)開展了葉片振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)方面的研究，并主要集中在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的獲取。

針對(duì)葉片氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究，代元軍等對(duì)葉片葉尖改為v型后的氣動(dòng)噪聲開展了研究，本文以s系列某翼型葉片為基礎(chǔ)，根據(jù)文獻(xiàn)確定了葉片尺寸及外形，并用丹麥B&K公司PULSE18.0振動(dòng)測(cè)試分析軟件進(jìn)行測(cè)試，主要完成風(fēng)力機(jī)葉輪靜止時(shí)固有頻率及旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)頻率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究V型葉尖結(jié)構(gòu)變化對(duì)葉輪振動(dòng)的影響。

1葉輪固有頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1測(cè)試對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)選用自行設(shè)計(jì)打印的PLA材料葉片，翼型為s系列某翼型，對(duì)應(yīng)葉輪半徑為0.65 m，額定功率為300w。實(shí)驗(yàn)改型前后單葉片如圖1所示，其中v型葉尖結(jié)構(gòu)如圖2所示，葉尖幾何參數(shù)如下：V-1型葉尖葉片葉尖深度h=1.3 cm，張角0=60°，葉尖寬度a=1.5 cm；V-2型葉尖葉片葉尖深度h=2.6 cm，張角0=60°，葉尖寬度a=3 cm。

1.2測(cè)試原理及測(cè)試設(shè)備

測(cè)試系統(tǒng)采用丹麥B&K公司PULSE18.0振動(dòng)測(cè)試分析軟件，激勵(lì)信號(hào)由人工施加，力錘所產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)由其手柄處的數(shù)據(jù)線傳輸給數(shù)據(jù)采集前端：葉片受迫振動(dòng)后，振動(dòng)信息由測(cè)試處的加速度傳感器采集，并由數(shù)據(jù)線傳輸給數(shù)據(jù)采集前端，通過網(wǎng)線傳輸給交換機(jī)，交換機(jī)收集數(shù)據(jù)后輸入模態(tài)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成測(cè)試系統(tǒng)的整體設(shè)置、控制及測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示、保存等功能。測(cè)試原理和測(cè)試設(shè)備如圖3和圖4所示。

1.3測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)分布

葉輪固有頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)在新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試葉輪選用三爪卡盤作為夾具來約束葉片，將卡盤放置在阻尼比小的材料上進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法采用瞬態(tài)激振法，振動(dòng)頻率范圍取0～400Hz，激勵(lì)點(diǎn)選用圖4中的3、6、9號(hào)點(diǎn)和10～21號(hào)點(diǎn)，激勵(lì)方向垂直于葉片，加速度傳感器由粘合劑固定在葉片對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)部位，測(cè)點(diǎn)位置為圖4中的1～9號(hào)點(diǎn)。每次激勵(lì)點(diǎn)的敲擊次數(shù)為5次。

1.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過ME scopeVES 5.1模態(tài)測(cè)試軟件對(duì)PULSE18.0振動(dòng)分析系統(tǒng)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將PULSE18.0系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)導(dǎo)入ME scopeVES 5.1模態(tài)測(cè)試軟件，數(shù)據(jù)處理后得到葉輪的固有頻率如表1所示。

從表中可以看出對(duì)葉片進(jìn)行V型改型后，隨著葉片葉尖部分質(zhì)量不斷減少，葉輪前三階固有頻率不斷增大，這是因?yàn)閷?duì)于連續(xù)彈性體的葉輪其固有頻率與其質(zhì)量成反比關(guān)系，葉輪質(zhì)量減少則葉輪固有頻率應(yīng)該是增大的，這與以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得結(jié)果相一致，進(jìn)一步說明了實(shí)驗(yàn)的正確性。

2振動(dòng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)新能源基地B1/K2低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，三向振動(dòng)加速度傳感器布置在發(fā)電機(jī)上，其安裝位置如圖5所示，其中規(guī)定三向振動(dòng)加速度傳感器X軸正方向?yàn)轱L(fēng)來流方向，y軸正方向?yàn)槠叫杏诘孛嫦蜃?，Z軸正方向?yàn)榇怪庇诘孛嫦蛏?，感光片布置于葉片葉尖位置，葉片在額定風(fēng)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過滑動(dòng)變阻器控制葉片轉(zhuǎn)速，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)信息由加速度傳感器采集，采集的信息由數(shù)據(jù)線傳輸?shù)紹&K測(cè)試系統(tǒng)。

采集未改型葉片、V-1型葉尖葉片、V-2型葉尖葉片3種葉片葉輪在額定風(fēng)速12m/s不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，其3個(gè)方向的振動(dòng)特性如圖6所示。

從圖中可以看出，葉輪轉(zhuǎn)速在375-625 rad/min時(shí)，未改型葉片、V-1型葉尖葉片、V-2型葉尖葉片均出現(xiàn)了劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，其中轉(zhuǎn)速達(dá)到500rad/min時(shí)，3種葉片振動(dòng)加速度均達(dá)到了最大值，V-2型葉尖葉片振動(dòng)加速度最大，其次是未改型葉片，最小的是V-1型葉尖葉片.在3種葉片中V-1型葉尖葉片的振動(dòng)變化趨勢(shì)最為和緩。故選取轉(zhuǎn)速為500 rad/min分析改型前后葉片三向矢量振動(dòng)頻譜圖，如圖7所示。

從圖中可以看出，在低頻率時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)的最高點(diǎn)為圓盤效應(yīng)，次高點(diǎn)為軸向竄動(dòng)效應(yīng)，圓盤效應(yīng)和軸向竄動(dòng)效應(yīng)是風(fēng)輪在掛機(jī)狀態(tài)下普遍存在的兩種振動(dòng)方式，其后峰值分別對(duì)應(yīng)葉片的各階振動(dòng)頻率，葉片風(fēng)輪共振一般發(fā)生在低頻，其共振的條件是葉輪振動(dòng)頻率接近或等于葉輪固有頻率或者其倍頻，由圖7得出葉輪在500 rad/min改型前后前三階振動(dòng)頻率，如表2所示。

由表1和表2可以看出葉輪振動(dòng)頻率與葉輪固有頻率的2倍頻較接近，故取葉輪固有頻率的2倍頻與葉輪振動(dòng)頻率進(jìn)行比較，研究葉輪固有頻率的2倍頻與葉輪振動(dòng)頻率的偏離關(guān)系，偏離值越接近0則越可能發(fā)生共振.越接近100%則發(fā)生共振的可能性越低，偏離值=（葉輪振動(dòng)頻率一葉輪固有頻率的2倍頻）÷葉輪固有頻率的2倍頻x100%的絕對(duì)值，偏離值如表3所示。

由表3可知，在一二階低頻時(shí)V-1型葉尖葉輪偏離0%的數(shù)值最大，發(fā)生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉輪偏離0%的數(shù)值最小，發(fā)生共振的可能性較高，這與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在三階時(shí)3種葉片葉輪其偏離值都較大，均超過20%，這說明3種葉片葉輪在三階時(shí)發(fā)生共振的可能性都較低。

3結(jié)束語

1）通過對(duì)3種葉片葉輪固有頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到了3種葉片葉輪的前三階固有頻率，發(fā)現(xiàn)改變?nèi)~尖形狀減小其質(zhì)量后獲得的V-1型葉尖葉片和V-2型葉尖葉片其固有頻率均比未改型葉片要高。

2）在風(fēng)洞中獲得改型前后葉輪的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3種葉片葉輪在轉(zhuǎn)速375-625 rad/min之間時(shí)均出現(xiàn)了劇烈振動(dòng)，在轉(zhuǎn)速達(dá)到500 rad/min左右時(shí)振動(dòng)達(dá)到最大值，其中V-2型葉尖葉片變化最為劇烈，V-1型葉尖葉片變化最為和緩。

3）通過對(duì)轉(zhuǎn)速在500rad/min時(shí)的振動(dòng)頻譜圖分析發(fā)現(xiàn)，在一二階低頻時(shí)V-1型葉尖葉片葉輪發(fā)生共振的可能性較低，V-2型葉尖葉片葉輪發(fā)生共振的可能性較高，3種葉尖葉片葉輪在三階時(shí)發(fā)生共振的可能性都較低，說明V型葉尖幾何參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性影響較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化V型葉尖結(jié)構(gòu)，找到合適結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性良好的V型葉尖結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。