大型风电叶片单点疲劳加载过程振动特性研究*

文 | 李忠祥，刘卫生，张欣，张磊安

大型风电叶片单点疲劳加载过程振动特性研究*

文 | 李忠祥，刘卫生，张欣，张磊安

风能已经成为世界上增长最快的新能源，随着风电机组单机容量的不断增大，叶片的尺度也在相应增加。叶片作为风电机组最基础、最关键的部件之一，其制造成本约占风电机组总成本的20%－30%。众所周知，疲劳损伤是导致叶片损坏的主要原因之一，严重影响着叶片的使用寿命和安全运行，而理论计算往往和实际应用有较大差距，因此风电叶片疲劳试验是检验其寿命和质量的关键一环。疲劳强度是风电机组叶片的一个重要参数，通常情况下叶片失效可归结为共振应力所引起的疲劳破坏。风电机组叶片在旋转过程中由于自身载荷及风载荷作用，叶片上的气动力和力矩会发生周期变化，可能使叶片产生疲劳破坏。由于涉及到许多不确定性因素，对叶片疲劳进行理论分析较为困难，或分析结果不一定准确。要保证叶片的正常使用寿命在20年及以上，在投入使用之前，通常对样件做疲劳加载试验，以检验其抗疲劳能力。在疲劳加载模式中，单点加载对试验设备和成本要求比较低，是目前国内外普遍采用的加载方式。单点加载是指只有一个加载点的激振方式，在叶片某截面安装激振系统，产生交变疲劳载荷，迫使叶片做上下等幅振动，以此完成风电叶片全尺寸结构的疲劳性能测试。

为了风电叶片疲劳加载试验的顺利进行，本文首先设计一套单点疲劳加载系统，理论推导出风电叶片单点疲劳加载系统的动力学模型，并利用Matlab/simulink软件建立仿真模型，可视化地得到叶片振幅与频比的特征关系，最后通过风电叶片单点疲劳加载试验验证了动力学模型的准确性，为后续风电叶片的疲劳加载试验奠定了基础。

风电叶片单点疲劳加载系统

一、疲劳加载方案

基于稳定性、能耗等方面考虑，设计了一套偏心质量块回转驱动的风电机组叶片疲劳加载系统。风电叶片进行疲劳加载试验时，根部通过若干个高强度螺栓固定在加载基座上。在加载点位置安装一个疲劳加载系统，该系统由偏心块、电动机、叶片夹具、减速箱和电控系统等组成，其示意图见图1。

二、动力学模型

风电叶片在疲劳试验中被当作一个沿纵向变质量的悬臂梁，简化的振动模型如图2所示。

叶片挥舞方向受到的加载力为 u（t）时， 建立叶片动力学方程，如式（1）所示：式中：m－叶片等效质量；

图1　风电叶片单点疲劳加载方案

k－叶片加载点等效刚度；

c－叶片等效阻尼；

u（t）－加载力。

将式（1）进一步转化，得叶片运动状态方程，如式（2）所示：

根据上式建立叶片在载荷作用下的振幅x变化如式（3）所示：

根据式（3）得到影响叶片振幅的主要因素为：刚度、阻尼、频比（频比定义为加载频率与叶片固有频率的比值）和加载力。进一步得到叶片振幅放大系数与频比的关系，如图3所示。

从图3可以得出：在激振力 u（t）作用下，叶片振幅放大系数受频比λ影响较大。λ越接近于1，叶片的振幅放大系数越大，即振幅越大。

图2　叶片振动模型

图3　振幅放大图

图4　风电叶片疲劳加载试验

表1　试验参数

风电叶片单点疲劳加载试验

一、试验过程

以叶片最大弦向为例，将风电叶片根部通过高强度螺栓固定在筒型加载支座上，沿叶片展向70%处固定疲劳加载驱动装置，叶片振幅的测量通过激光测距仪完成，试验现场如图4所示。

试验参数如表1所示。

疲劳加载试验采用多级变幅加载模式，并按照高－低加载顺序。由于疲劳加载试验周期较长，采集数据量较大，采用Access数据库进行数据的存储与管理，实时记录叶片振动次数与当前幅值。基于Labview软件编写的监控界面如图5所示。

二、试验结果及分析

设定变频器输出不同的频率，分别为0.76Hz、0.78Hz和0.82Hz，得到不同加载频率驱动下叶片振幅的变化曲线，如图6所示。

由图6可得，当加载频率为0.78Hz时，小于叶片的固有频率，此时叶片稳定状态时的振幅较小，约为150mm；当加载频率为0.78Hz时，等于叶片的一阶固有频率，稳定后叶片振幅最大，约为400mm，认为两者发生共振现象，基本能满足疲劳加载试验的要求；当继续增大驱动频率达到0.82Hz时，由于与共振频率偏离较大，振幅变得絮乱。上述结论验证了之前的数学模型和仿真模型的准确性。

图5　监控界面

结论

本文设计了一套偏心质量块驱动的风电叶片单点疲劳加载系统，并对其振动特性进行研究，得出以下主要结论：

（一）推导出风电叶片单点疲劳加载动力学模型，得出影响叶片振幅大小的一系列参数，如刚度、阻尼、频比和加载力等。

（二）利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型，得出在不同频比下的叶片振动曲线振幅放大曲线。现场试验得出：当加载频率和叶片的一阶固有频率相同时，叶片振幅最大且最稳定，偏离共振频率越大，振幅衰减的越厉害。

图6　不同加载频率下，叶片振幅变化曲线

（三）风电叶片进行疲劳试验时的加载频率应与叶片的一阶固有频率相同，此时叶片稳定振幅达到最大，试验周期最短，加载效率最高。

（作者单位：李忠祥、刘卫生，张欣：连云港中复连众复合材料集团有限公司；张磊安：山东理工大学）

国家自然科学基金（51405275）；山东省自然科学基金（ZR2014EL027）；中国博士后科学基金（2015M571840）