Ｖ形叶尖叶片结构对风力发电机固有频率影响的研究水 口张建伟 口马瑁惠芝’ 口代元军 １．新疆农业大学机电工程学院．乌鲁木齐８３００９１ ２．新疆工程学院电力工程系 乌鲁木齐８３００９１ ３．风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室 呼和浩特摘０１００５１ 要：对新型Ｖ形叶尖叶片进行模态分析，测量叶片的振动信号，得到叶片的振型、阻尼比和固 有频率，并与来改型叶片对比，确认新型Ｖ形叶尖叶片固有频率提高较为显著，抗扭转性能佳，具有良 好的结构动力学特性 关键词：风力发电机叶片频率测试 中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＫ８３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１７）１１—００９５—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖｉａ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ Ｖ—ｓｈａｐｅｄ ｂｌａｄｅ ｔｉｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｕｎｍｏｄｉｉｆｅｄ ｂｌａｄｅｓ，ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ Ｖ— ｓｈａｐｅｄ ｂｌａｄｅ ｔｉｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ ｗｉｔｈ ｆｉｎｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｏｕｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ Ｂｌａｄｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｅｓｔ １ 研究背景 人类生活必须依赖能源，但传统能源却有着开采 成本高、污染大等缺点。为了应对可能出现的能源危 机．清洁能源进入了人们的视野，而风能作为新型清沽 能源，臼２０世纪７０年代以来越来越受重视 ，高效利 用和转换风能是同｝ｊｉ＿『研究的热点之一。风轮是风力发 电机的主要组成部分，约占总成本的２０％～３０％Ｅ ，Ｊｘｔ，力 叶片材料及叶片结构的开发方面 。国内对叶片结构 动力学的研究起步较晚，研究主要集中在结构动力学 参数的获得方面 ］。 对叶片的研究主要有气动力学研究和结构动力学 研究两方面，文献［１２］将叶片叶尖改为Ｖ形，并进行 了气动噪声的研究。笔者以某新翼型叶片为基础，根据 文献［１２］确定了叶片尺寸及外肜，并用ＰＵＬＳＥ １８．０振 动测试分析软件进行测试．测试未改型叶片与ｖ形叶 发电机巾风轮结构的动力学特性是风力发电机设计的 重要指标，对风力发电机的稳定运行有重要意义【。；。 尖叶片的同有频率、振型及阻尼比，研究ｖ形叶尖结 构变化对叶片结构动力参数的影响。 风力发电机叶片结构的动力学参数主要包括叶片 的固有频率、阻尼比和振型ｌ ５ｌ，其获得的方法主要有计 算模态和试验模态两种 。试验模态方法获得的信息 准确、全面，精度高，但是对测试设备要求较高，一般为 研究所及大学实验室所采用。计算模态方法主要依靠 ＡＮＳＹＳ等软件进行分析，通过软件建立模型，并对所 建模型进行测试与研究，具有应用范围广、快捷方便等 优点，但是由于软件＿小身的限制，可能造成计算偏差。 在结构动力学测试方面．国外研究较早，技术较为 成熟，研究主要集巾存埘一ｚ／，．－ｉ￣ 构动力学特性的改变和对 国家自然科学 金资助项口（编号：５１４６６０１５１ 新疆工程学院科技创新 队项目（编号：２０１６ＸＣＸ０３ｌ ８１２） ２试验模态分析 ２．１ 测试对象 试验叶片如图１所示．图中上部叶片为未改型叶 片，下部叶片为Ｖ形叶尖叶片。 图２为Ｖ形叶尖叶片结构图．叶尖几何参数为叶 收稿日期：２０１７年６月 机械制造５５卷第６３９￣］ ２０１７／１１国 尖深度ｈ＝２．６ Ｃｎ１．角度０＝６０。，叶尖宽度ｎ＝３ ＣＩＩＩ ２＿２测试软件系统 测试软件为ＰＵＬＳＥ １８．０振动测试分析软件．该软 件具有精度高等优点 往测试ｔｔ寸，叶片安装方式采用法 兰连接 ２．３测试流程 测试流程如冈３所示 模态试验在新疆Ｔ稃学院能源高效利用技术重点 实验室进行，采取瞬态激振法，用橡胶头力锤产生激 励．振动频率范围为０～４００ Ｈｚ。单叶片激励点选用图４ 中的１０号点．三１１－卜片激励点选用 ５中的３、６、９弓 点 和１０～２１号点．激励方向垂直于叶片。加速度传感器 川－枯合剂固定在叶片对应的激励点部位．每次试验激 励点的敲击次数为５次 单叶片加速度传感器设置于图４中ｌ～９号点． 叶片加速度传感器设置于罔５中１～９号点 激励信号由力锤施加，振动信号由叶片上的加速 度传感器感知，并由数据采集前端采集，通过网线传输 ２０１７／１１ 给计算机，『ｆ１ ｌ ｕＩ Ｓ １ ８．０进行数据的整体没营、 制 及仔储 ３数据处理 通过ＭＥ ＳｃｏｐｅＶＥＳ ５．１模态洲试软件埘 ＬＳＥ １８．０所获得的试验数据进行处理，将ＰＵＬＳＥ １８．０获得 的数据导人ＭＥ ｓｃｏｐｅＶＥＳ ５．１ 以未改 三叶片为例． 对数据处理后，软件 示界面有叶片阻尼比、固仃频牢 和振 情 ．如 ６所示 、 图６左侧 符阶振型图显示窗Ｌ］， 侧为各阶模 念所埘应的ｌ占Ｊ ｆ】‘频率及阻尼比， ４测试结果与分析 在试验巾埘未改 叶片及Ｖ彤叶，犬叶片分别进 行单叶片及 叶片测试，获得了阻尼比、振 及ｌ占１钉频 率等亟蚤数据。 【｝］表１可 ，无论足ｖ形叶尖叶片还足未改犁叶 片．其阻尼比鄙呈下降趋势 在二阶时，未改型叶片的 阻尼比相较于Ｖ彤叶，犬叶片要小．这可能是 为 ‘片 的结构变化， ：生了影响。由表１和表２还可看Ｈ｛，随着 阻尼比的下降．叶片的旧有频率均呈上升趋势．这个舰 律对叶片结构动力学特性影响的研究具有一定意义 山衷２町知， 叶片阶数增加的同时， 有频率值 呈上升趋势．Ｖ彤叶尖叶片的每一阶固有频率均比未 改型叶片高 材料、质量等凶素会影响Ⅱ十‘片的【创有频 牢，所以在试验巾除了测试叶片有区刖外．其它各种可 能对试验结果产生影响的Ｌ大Ｊ素皆保持一致 经研究发 现，叶片质量减轻会导致固有频率增大 图７为１３１ 片前【八｜阶振型图，可以直观地看出，无论 是Ｖ形叶尖叶片还是未改型叶片，前ｉ阶振型大体相 同，均为时 片挥舞振动 、在第四阶时．叶片叶根处ｆ｛５现 扭转振动．但未改 叶片扭转更为严重．这说叫Ｖ彤 叶尖叶片的抗扭性能栩较于未改型叶片更好 机械制造５５卷第６３９期 ５结论 振型阶数 表１三叶片测试阻尼比 四 通过采用ＰＵＬＳＥ １８．Ｏ振动测试分析软件对两种 风力发电机叶片进行模态测试。测试了两种叶片的固 有频率、振型和阻尼比共三个重要的结构动力学参 数．并对两种叶片的测试数据进行了对比。 研究发现．叶片质量减轻，则固有频率提高，Ｖ形 叶尖叶片质量相较于未改型叶片质量要轻，其各阶固 有频率均比未改型叶片各阶固有频率要高，在一阶时 未改型叶片 ｖ形叶尖叶片 ６．Ｏ９ ４．９ｌ ２．１９ ３．４ｌ ２．１７ ２．２２ １．６７ ｌ＿４２ Ｈｚ 四 表２ 三叶片测试固有频率 振型阶数 未改型叶片 ｖ形叶尖叶片 １６．０ ｌ７．４ ５０．１ ５３．６ ５５．６ ６１．１ １２０ １２９ 提高８．８％，二阶时提高７．０％，三阶时提高９．９％，四阶 时提高７．５％。 针对叶片固有频率及 阻尼比进行研究，验证了 随着阻尼比的降低，叶片 固有频率提高这一规律，这 个规律对叶片结构动力学 特性影响的研究具有一定 意义。 对两种叶片振型进行 比较．发现在前 阶时叶 片振型大体相似，均呈挥 舞振动：第四阶出现扭转振 动．其中未改型叶片相较于 Ｖ形叶尖叶片扭转更为严 重．说明ｖ形叶尖叶片有 更好的抗扭性能及结构动 力学特性。 参考文献 『１］陈飞虎．风力机翼型优化 设计研究［Ｄ］．北京：华北 电力大学，２０１３． ［２］代元军，任常在．徐立军， 等．基于Ｃａｍｂｉｔ的Ｓ系列 新翼型风力机建模［Ｊ］．机 械制造。２０１４．５２（２）：３０— ３２． ［３］马剑龙，汪建文，董波，等． 风力机风轮低频振动特性 的实验模态研究［Ｊ］．振动 与冲击，２０１３，３２（１６）： １６４—１ ７０． 『４］ＳＰＥＲＡ Ｄ Ａ．Ｗ ｉｎｄ Ｔｕｒ— ｂｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ １９９４． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ， 机械制造５５卷第６３９期 ２０１７／１１回 （上接第７９页） ｉｎ Ｗｉｒｅ－Ｄｒａｗｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２０１２，５５ （４）：４６６—４７２． ［６］戴先葵，范德顺．多通道旋转挤压脱水机脱水圆盘静力分 析及优化设计［Ｊ］．北京化工大学学报（自然科学版），２００９ （４）：９６—９９． ［１１］易来华．基于修正Ａｒｃｈａｒｄ理论的曲轴模具磨损研究［Ｊ］．热 加工工艺，２０１３（１７）：１１４—１１６． ［７］ 田晓光．基于ＤＥＦＯＲＭ软件模拟的铝合金挤压模具优化 设计［Ｊ］．铸造技术，２０１６，３７（６）：１２７３—１２７６． ［１２］黄炳林．热成形模具磨损行为数值分析及模具寿命预 测［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１４． △ ［８］段园培，张海涛，黄仲佳，等．基于ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ的支撑销 冷挤压成形数值模拟［Ｊ］．热加工工艺，２０１３（９）：１２５—１２７， ｌ３Ｏ． 作者简介： 谢政龙（１９９２一），男，硕士研究生，主要研究方向为机械设 计；张庆（１９６４一），男，副教授，主要研究方向为机械设计与制 造。 ［９］候桂叶．基于ＤＥＦＯＲＭ的冲压模具设计的仿真与分析［Ｄ］． 成都：电子科技大学。２０１５． ［１０］ＨＡＤＤＩ Ａ，ＩＭＡＤ Ａ，ＶＥＧＡ Ｇ．Ｏｎ ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｉｅ Ｗｅａｒ ・ ・卜－・・卜一＋一＋一＋一＋－＋－＋－＋一＋－＋－＋一＋一＋一十一＋ｎ＋一十一＋一＋一＋一＋－－４－・・＋一＋”＋一＋”＋一十一十一—・卜－＋一＋ ＋－＋－——卜－—卜－＋一＋（编辑 岚） 一＋一＋一＋－＋一＋一＋一＋一＋ （上接第８７页） ［９］ 陈锡辉，张银鸿．ＬａｂＶＩＥＷ ８．２０程序设计从入门到精 通［Ｍ］ Ｅ京：清华大学出版社，２００７． ［１０］刘君华．基于ＬａｂＶＩＥＷ的虚拟仪器设计［Ｍ］．北京：电子工 业出版社。２００３． 作者简介： 李占军（１９７０＿一），男，讲师，主要研究方向为电子技术；祁宇 ［６］任德齐，谭中华．基于Ｉ＿ａｂＶ１ＥＷ的温度测试系统的研 究［Ｊ］．西南师范大学学报（自然科学版），２００７，３２（５）：１２９— １３２． △ ［７］彭远芳，赵又新．高精度温度采集系统［Ｊ］．仪表技术与传 感器，２００７（５）：４５－４６． ［８］许钢，林园胜，胡天水，等．虚拟仪器技术在温度采集系统 中的应用［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１３，３５（７）：８１—８６． 明（１９７９＿－），副教授，主要研究方向为机器人技术及应用。 （编辑 丁 罡） （上接第９１页） 声辐射分析［Ｊ］．固体力学学报，２０１１，３２（６）：５８１—５８７． 作者简介： 姚明镜（１９８９－＿），男，助教，主要研究方向为控制及故障诊 断。 （编辑 小 前） ［１１］王得刚，李朝峰，李鹤，等．基于ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ的车身模态分 析［Ｊ］．机械制造，２００８，４６（６）：４—６． ［１２］王若平，过丰，郭孔吉．基于ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ的重型牵引车车架 强度分析［Ｊ］．机械制造，２０１６，５４（１２）：３１—３５． ［１３］刘宝山，赵国忠，李瑞勇．基于虚拟激励法的结构随机振动 阊２０１７／１１ 机械制造５５卷第６３９期