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大型风力发电机旋转叶片结构动力特性

发布时间:2016-08-06  来源: http://www.nmbgfdj.com/news/35.html

     大型风力发电机叶片的结构动力特性是叶片结构设计时考虑的重要方面,其固有自振频率对于整个风力机的安全运行具有重要意义。文章基于现代柔性多体动力学理论和有限元数值分析相结合的方法,对5 MW风力发电机叶片的固有振动特性进行分析。


       随着风力发电机不断朝着大型化方向发展,叶片的柔性和几何非线性增加、结构刚度降低,在气动载荷作用下易产生振动和变形,随之而来的就是共振风险。共振能引起剧烈的载荷,轻则减弱控制系统效能,重则可导致叶片结构失效甚至断裂,尤其当遭受阵风或极限载荷时,产生失效破坏。

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       近年来,复合材料在风机叶片上的应用越来越广泛,使得叶片材料朝着低成本、高性能、柔性化和轻量化的方向发展。为了避免大型风力机叶片在复杂的外在激励作用下产生共振,研究风力机叶片固有自振频率对于整个风力机的安全运行具有重要意义。叶片的外部形状根据其气动性能一经确定,与叶片自身固有频率相关的主要因素包括叶片截面形式和厚度分布等也一并确定。因此,复合材料叶片结构特性及结构参数对其固有频率有着重要影响。在已有的研究中,刘旺玉研究了叶片复合材料铺层角度对叶片固有频率的影响。陈晨讨论了叶片结构参数(弦长、扭角等)对叶片固有频率的影响。由于复合材料叶片各个方向的弹性模量随着增强纤维布置方向的改变而改变,因此,在叶片外形、结构形式和厚度确定的情况下,要使叶片的固有自振频率不落入共振区,需要确定叶片结构的振动特性,即固有频率和振型。综上所述,在大型风力发电机叶片结构设计中考虑其复合材料结构特性,分析叶片与刚度、阻尼和质量等固有振动特性相关的稳定性以及刚度共振等问题越来越重要。


     此外,大型风力发电机叶片在旋转时,产生惯性离心力,使得叶片绕旋转轴旋转时产生动力刚化现象,从而影响叶片的刚度和自振频率。因此,在研究旋转叶片的动力特性时,需要考虑动力刚化对其固有振动特性的影响 。本文基于美国可再生能源实验室用于研究比较的概念型海上风力机 NREL 5 MW三叶片风机 [8]叶轮叶片为研究对象,应用现代柔性多体动力学理论和有限元数值分析相结合的方法,对 NREL 5 MW风力发电机叶片的固有振动特性进行分析,研究叶片的振动频率和振型的变化规律,并且探讨了旋转叶片动力刚化及阻尼效应对其振动特性的影响。


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