风电机组叶片气动弹性与颤振抑制

王明军

随着风电机组大型化趋势的发展，叶片长度也不断增加，叶片断裂事故时有发生。更有甚者，个别机组在并网风速远低于切除风速的情况下，投运不久就出现了叶片断裂。

大型风电机组是一个复杂的流一固耦合系统，在自然风条件下运行时，作用在机组上的空气动力、自身惯性力和弹性力等交变载荷会使结构产生变形或振动，进而对来流产生影响。因此，在叶片结构设计时，不仅需要满足强度和刚度要求，还必须考虑叶片颤振问题。颤振是当升力面在气流中以一定速度运动时，在气动力、惯性力及弹性力耦合作用下，刚好使物体维持等幅振荡的一种自激振动。风速较高时，气流攻角会很大，机组叶片发生颤振的可能性较大。然而，由于叶片受力复杂，叶片颤振涉及气动力特性和叶片固体动力特性，目前对于该问题的研究，主要集中在颤振临界速度及颤振频率等，国内外对叶片动气动弹性问题的研究尚不多。

本文将就叶片受力、叶片振动的基本原理及抑制叶片颤振的方法进行阐述。

叶片气动弹性和颤振问题

叶片在气动力、重力和离心力作用下，其主要振动形式有：挥舞、摆振和扭转。挥舞是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动：摆振是指叶片在旋转平面内的弯曲振动：扭转是指叶片绕其变距轴的扭转振动。这三种机械振动和气动力交织作用，形成气动弹性问题。如果这种相互作用是减弱的，则振动稳定，否则会出现颤振和发散。气动弹性不稳定主要分成两类：第一类是气动弹性静态不稳定问题，称为发散，这类问题可以通过分析叶型的升力阻力曲线和叶片的扭转弹性力来进行研究，分析起来较为简单;第二类是气动弹性动态不稳定性问题，也就是颤振问题。

一、叶片坐标系与叶片振动

根据GL规范建立叶片坐标系，叶片坐标系的原点位于叶片根部，随风轮旋转，其三个坐标轴分别记为XR、YB、ZB，其中ZB与叶片变桨轴重台xR垂直于ZB，对于上风向机组，正向指向塔架方向，与叶轮轴线平行，也称作叶片挥舞方向;YB垂直于xB和ZB，按右手定则确定，又称作叶片摆振方向。叶片振动主要有挥舞、摆振、扭转，以及三者之间的耦合。在低阶，以XR方向挥舞为主，挥舞变形是叶片振动变形的主要形式，也是造成叶片破坏的主要原因。

二、叶片颤振及特点

由于大自然风的随机性、叶片动力激扰的多样性、叶片变形之间及变形与气动力之间的耦合性，风电机组叶片气动弹性问题，属于非线性结构与气流相互作用的多场耦合结构动力学研究的范畴，涉及多门前沿学科的交叉与融合。

风电机组叶片经常要在失速工况下运行的特点决定了它的动力学失效与普通叶轮机叶片不同。风电机组叶片进口气流的相对速度w，远小于进口马赫数M，叶片由于进气攻角过大而失速，形成弯扭耦合振型的颤振。颤振的重要特征是存在颤振临界状态，即颤振临界风速和颤振临界频率。当风速低于颤振临界风速时，叶片对外界扰动的响应因受到阻尼作用而衰减;但当风速高于颤振临界风速时，叶片出现发散振动或振幅随风速增加的等幅振动。

风电机组叶片的颤振通常分为：线性经典颤振（经典颤振）和失速非线性颤振（失速颤振）两大类，这两大类颤振经常表现在叶片的挥舞方向和扭转方向耦合（弯扭耦合）的振动过程中，其中挥舞方向的失速颤振造成的发散不稳定是叶片断裂失效的重要原因。前者主要是流一固耦合引起的叶片扭转振动，它通常发生在叶片处于附着流的情况下;后者主要是叶片在气动失速情况下发生的振动。

（1）经典颤振：是叶片扭转和挥舞产生的自激不稳定振动，其特点是流动基本附着，无明显分离。它发生的条件是结构上的瞬时流体动力与弹性位移之间有相位差，因而使振动的结构有可能从气流中吸收能量而扩大振幅。影响叶片颤振的因素很多，主要包括叶片的结构动力参数、来流特性和叶片所受的气动力。

（2）失速颤振：与气流分离和旋涡形成有关。这类颤振是由于风电机组的升力系统处于失速攻角附近而产生的气动弹性失稳现象。

经典颤振与失速颤振相比，是一类更加强烈的气弹不稳定现象，与叶片的弯扭耦合有关，表现为叶片按照摆振固有频率进行挥舞/摆振/扭转的耦合振动。

近年来，在极端风速状态下，经常能检测到另外一种处于经典颤振和失速顫振临界状态的临界颤振，该颤振发生时叶片处于一种准稳态响应状态。其中挥舞方向的临界颤振引起的发散不稳定，不仅能造成叶片断裂失效，还经常造成塔体拦腰折No

由于大型风电机组叶片具有展向长和刚度低的特点，经典颤振问题成为叶片动力学研究的一个重要内容。颤振分析一般涉及弹性叶片的复杂结构特征与叶片周围非定常气流场，以及二者之间相互耦合机理。

三、两类颤振的产生

当叶片受扰动向上偏离平衡位置后，弹性恢复力使它向下方平衡位置运动，同时产生作用于叶片重心的向上惯性力，因叶片重心在扭心之后，惯性力产生对扭心的力矩使叶片攻角减小，引起向下的附加气动力，加快叶片向下运动;当叶片运动到下方极限位置而返回向上运动后，出现相反的情况。整个过程中，空气动力是激振力，与叶片转动速度的二次方成正比，与空气对叶片的阻尼力成反比。因此，防止叶片颤振的最有效方法是使叶片重心前移以减小惯性力矩。

当气流沿某个方向吹向叶片时，会出现两种情况：一种情况是，当气流攻角比较小时，气流贴着叶片的上下表面流过;另一种情况是，当气流攻角很大时，通过叶片下表面的气流仍是贴壁流动，而流过上表面的气流出现分离。空气动力学把这种现象称为失速，将对应失速点的攻角称为临界攻角。在风的作用下叶片会产生升力。在两种情况中，叶片升力大小随攻角的变化而变化。当气流攻角小于临界攻角时，攻角愈大，升力愈大;当超过临界攻角时，则攻角愈大，升力愈小，这是叶片失速后的最大特点。

再者，当叶尖以一定的速度相对根部做向上的弯曲运动时，原来流场中的气流相对于叶片的新位置就有了一个很小的角度差。这种攻角的变化会引起力的变化。若攻角小于临界攻角，当叶片向上做弯曲运动时升力变小。这种变小的升力对于叶片尖部向上的弯曲起到抑制作用。然而，若攻角大于临界攻角，当叶片向上做弯曲运动时，升力是增加的。这种增大的升力对于叶片的向上弯曲运动起到了加强作用。在这种情况下，叶片的振动会愈来愈强烈。通过颤振发生过程可以看出，颤振是由气动力、惯性力和弹性力交互作用的结果。抑制业片颤振

由于叶片颤振属于流体诱发振动中的气动弹性耦合自激振动，涉及叶片的气动力与叶片结构动力两方面的问题，又与叶片造型、工艺等因素有关，因此，抑制叶片颤振是一项十分复杂的研究工作。目前主要是利用叶片型面设计、结构设计以及利用复合材料叶片的振动特性与气动弹性剪裁技术抑制颤振。

一、利用三心设计原理抑制颤振

叶片的三心设计与叶片颤振密切相关。叶片气动参数变化与叶型几何参数变化对颤振特性影响的研究表明：前重心叶片的稳定性较好，前扭心叶片的稳定性较差。因此，在设计叶片时，在满足其他条件的情况下，应使叶型重心尽可能靠近叶片前缘。

叶片三心的变化对叶片稳定性有很大的影响，因此，叶片防颤可从三心角度进行调整：叶型的扭心靠近叶片前缘要比扭心靠后更容易失稳，即扭心后置叶片较好。但在将叶片扭心后置时，其重心也将随之后移，而重心前置叶片的稳定性较好，显然，重心位于扭心之前更为有益。此种情况下，如果非定常气动力心位于重心和扭心之间，叶片稳定性较差，所以，沿叶尖到叶根方向形成气动力心、重心、扭心的分布，叶片有更好的稳定性。对于扭心前置叶片，如果非定常气动力心位于重心之后，则对叶片的稳定性不利，而位于扭心和重心之间，叶片有较强的稳定性。

因此，对具体叶片来说，不能简单地认为气动力心离扭心、重心越远越好。对于前扭心叶片而言，气动力心靠近扭心较好;而对于后扭心叶片，气动力心远离扭心、重心而靠前些更好。

二、阻尼叶片抑制颤振

当前，风电机组的叶片材料主要为纤维增强树脂基复合材料（利用如GRP），其阻尼性能是金属材料的10～100倍，但是，在复杂交变应力的作用下，普通復合材料叶片往往因颤振而遭到破坏。

目前，纤维增强树脂基复合材料，包括玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）和碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP），其中GFRP较为常用。纤维增强树脂基复合材料具有良好的比刚度、比强度以及耐腐蚀性和良好的阻尼特性等优点，但随着风电机组叶片尺寸的不断增大，传统叶片自身阻尼已不能对叶片颤振进行有效抑制，因此，有必要对叶片做进一步的阻尼处理。常用的阻尼处理方法有自由阻尼结构层和约束阻尼结构层。这两种方法都属于事后被动处理，会受到叶片尺寸、重量以及阻尼层剥落等因素的制约。

共固化阻尼层复合材料可以解决以上两种阻尼处理方法存在的问题。该材料是直接将粘弹性阻尼材料作为铺层嵌入到复合材料结构中，如图1所示。这样既保证了材料有较高的结构阻尼，又不易出现阻尼层剥落现象。阻尼叶片是将共固化粘弹性阻尼层复合材料用于风电机组叶片，这样可在满足叶片比强度和比刚度要求的基础上提高叶片的阻尼特性，有效地提高叶片抑颤能力。图2为阻尼叶片截面示意图。阻尼叶片的抑颤效果明显，对摆振方向的抑颤效果优于挥舞方向，这是由于共固化粘弹性阻尼层复合材料中阻尼层通过内摩擦耗散掉部分摆振动能。且摆振方向的颤振频率接近阻尼材料的最优频率。

三、利用气动弹性剪裁技术抑制颤振

利用复合材料的可塑性、铺层剪裁性和非线性振动特性，可以实现叶片气动弹性剪裁，以抑制颤振。叶片气动弹性剪裁就是利用复合材料改变叶片的固有振动特性以及利用叶片的变形改变气动力特性，进行叶片抑颤。

（一）利用复合材料改变叶片的固有振动特性

复合材料叶片的振动特性有如下几点：

（1）复合材料的铺层方向与次序，对叶片的振动特性有很大的影响，即利用不同的铺层方法，可以改变叶片的频率、振型出现次序等。

（2）0°和较小角度（<30°）的铺层，具有较高的抗弯刚度;+45°的铺层抗扭刚度最高;90°以及非纯45°交替铺层，具有很好的抗横向振动性能。

（3）复合材料叶片外铺层比内铺层对振动特性变化的影响大。对称铺层叶片，具有较强的弯扭耦合特性，同时叶片会产生较大的静变形。

（4）与同型钢叶片相比，复合材料叶片的刚性强、频率高、模态阻尼高，即抗振性较好。

（二）利用叶片变形改变气动力特性

设计具有优良弯扭耦合性能的风电机组叶片，利用复合材料铺层实现叶片气动弹性剪裁，可以通过弯扭耦合效应改变叶片的气动性能。发生弯扭耦合效应时，叶片攻角也会改变。根据叶素动量理论，攻角变化直接影响叶片运行过程中的合速度。叶片在达到顺桨状态的过程中，弯扭耦合效应可降低叶片所受载荷，延长机组寿命。

因此，镜像对称铺层结构可实现叶片弯扭耦合;在气动载荷作用下，叶片出现弯曲和扭转变形，沿叶片展向弯扭耦合变形量增加，且与截面相对位置呈非线性关系;叶片弯扭耦合性能随蒙皮偏轴夹角的变化而改变。

（1）Ansys复合材料模块可实现复杂大型风电机组的叶片结构铺层，建立的叶片模型精度高、误差小。通过CFD方法获得的叶片气动载荷能细致描述叶片表面的受力情况，可提高数值模拟精度。

（2）随着蒙皮偏轴夹角的增大，叶片弯扭耦合系数先增大后减小。当蒙皮偏轴夹角为15°时，叶片具有足够的挥舞刚度和摆振刚度，且弯扭耦合性能最佳，弯扭耦合系数达0.426。

结语

随着新增机组的叶片长度和柔性不断增加，叶片损坏、断裂概率也有所增加，可能带来的损失巨大。而目前国内对风电机组叶片气动弹性、振动问题及颤振产生的机理研究较少，因此，有必要对叶片振动的相关问题进行更加深入研究。在叶片设计和制造时，应采取各种有效措施抑制叶片颤振，避免因颤振导致叶片断裂事故发生。