CN102478421B

CN102478421B - 一种风力机叶片动态频率分析与设计方法

Info

Publication number: CN102478421B
Application number: CN 201010564466
Authority: CN
Inventors: 石可重; 徐建中; 赵晓路
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: CN102478421A

Abstract

一种风力机叶片动态频率分析与设计方法：根据叶片静止状态下的各项参数，进行叶片结构设计，获得叶片静态下的结构刚度与固有频率，分析并调整叶片结构，直至固有频率满足要求；再根据叶片运行转速，计算其离心惯性载荷，将惯性载荷施加于叶片上，分析评估结构的非线性影响程度，并计算在这种影响下结构刚度的改变，利用改变后的结构刚度，重新计算分析叶片固有频率。由于本发明考虑了非线性影响，因此可以比较准确地预估在离心力作用下的运行状态固有频率。根据设计要求，对该频率进行评估，并调整叶片结构直至叶片频率满足要求。据此所设计出的叶片结构可有助于保障风电叶片及机组在设计状态下能够安全运行。

Description

一种风力机叶片动态频率分析与设计方法

技术领域

本发明涉及一种风力机叶片频率分析及设计方法，特别是针对大型风力发电叶片的动态频率分析与叶片设计方法。

背景技术

随着全球气侯变暖日趋严重，气候异常现象不断出现，CO₂减排压力加大，同时化石能源供应紧张，价格节节攀升，可再生清洁能源越来越受到各国的重视。风能凭借其储量大、分布广、清洁无污染、综合成本较低且在下降等优势，被称为最有前景的发电方式之一。

1993年到2008年的15年间，世界风力发电装机总量的年增长率达到28.26％。到2008年末，全球风电装机容量达到1.2亿千瓦，风力发电量在全球总发电量中所占比例从2000年的0.25％上升至2008年的1.5％。欧洲风能协会预计到2020年风力发电将占世界电力总量的12％。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。

我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

为了实现风能的规模利用，降低风能利用成本，风电机组正向着大尺寸、大功率的方向发展。由于大尺寸叶片质量也往往很大，在运行状态下会产生较大的离心力惯性载荷，叶片越长，质量越大，影响也会越大。在这种大的离心力惯性载荷作用下，叶片有可能会发生非线性变形，造成叶片结构刚度相对静止状态下发生改变，如不能准确预估这种刚度的改变，所计算分析的结构固有频率，即叶片的设计固有频率，与运行情况下实际的固有频率会有所不同，导致所设计叶片的实际固有频率不能被准确预估。由于叶片固有频率是影响叶片安全运行的重要因素，因此，所设计出的叶片将会有可能无法满足叶片及机组的安全运行要求。因此，有必要提供一种对风力机叶片动态频率更为准确的分析方法与叶片设计方法，使得在设计阶段，能够比较准确地考虑离心惯性载荷对固有频率的影响，进而优化设计流程，从而保证叶片在运行情况下，处于安全合理的固有频率范围，保障叶片及机组的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于提供风力机叶片动态频率分析与设计方法，可以比较准确地分析出运行状态下离心力影响所导致的结构刚度变化，进而预估叶片在运行状态下的固有频率，并据此修正叶片结构设计，保障叶片安全运行。

为实现上述目的，本发明提供的风力机叶片动态频率分析与设计方法，其主要步骤为：

1)根据静止状态下情况，进行叶片常规设计，获得叶片结构参数；

2)根据步骤1中的叶片结构参数，使用有限元数值方法进行分析，计算出叶片在静止状态下的固有频率；

3)根据使用要求，将步骤2中固有频率的计算结果与所要求的频率范围进行比照，并调整叶片结构参数至频率满足使用要求；

4)在步骤3分析的基础上，根据叶片运行转速范围计算叶片的离心惯性载荷；

5)将离心惯性载荷施加于叶片上，分析评估该载荷对结构的非线性影响，并计算在该影响下叶片结构刚度的变化，利用变化后的结构刚度，重新计算叶片动态下的固有频率；

6)评估步骤5中计算得到的固有频率是否符合安全运行要求，并调整叶片结构至叶片频率满足要求。

所述的方法中，步骤1中静止状态下的叶片参数包括叶片结构和叶片尺寸参数。

所述的方法中，步骤2中叶片在静止状态下固有频率，以及步骤5中叶片在运行状态下固有频率的分析计算范围，可根据具体的叶片设计要求确定。一般包括叶片挥舞一阶固有频率、挥舞二阶固有频率和摆振一阶固有频率等。所述的方法中，步骤3中调整叶片结构参数至频率满足使用要求时，其频率计算是重复步骤2的分析过程。

所述的方法中，步骤6中调整叶片结构至叶片频率满足要求时，其频率计算是重复步骤5的操作。

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点：

本发明通过采用结构非线性影响评估，分析叶片在离心载荷作用下结构刚度的改变，便于实现对叶片在运行情况下的固有频率的准确分析，并据此对叶片设计及流程进行优化，保证叶片正常运行时固有频率处于设计工况，保障叶片及机组的安全运行。

附图说明

图1是叶片一阶挥舞固有频率振型示意图，其中：1为叶片未发生振动变形时位置，2为叶片在一阶挥舞固有频率时振型位置。

图2是叶片二阶挥舞固有频率振型示意图，其中：1为叶片未发生振动变形时位置，3为叶片在二阶挥舞固有频率时振型位置。

图3是叶片一阶摆振固有频率振型示意图，其中：1为叶片未发生振动变形时位置，4为叶片在一阶摆振固有频率时振型位置。

具体实施方式

本发明的技术方案是：

首先，根据叶片静止状态下的各项参数，进行叶片结构设计，获得叶片静态下的结构刚度与固有频率。先假定该频率即为叶片运行状态的固有频率，分析该频率是否符合设计要求，如不符合，调整叶片结构，重复分析，直至固有频率满足要求。

事实上，由于叶片结构在运行状态下受离心力作用有可能发生比较明显的非线性现象，即运行状态下结构刚度不同于静止状态，导致两种状况下固有频率有所差别。因此，在前面静态情况分析的基础上，再根据叶片运行转速，计算其离心惯性载荷，将惯性载荷施加于叶片上，分析评估对结构的非线性影响程度，并计算在这种影响下刚度的改变，利用改变后的结构刚度，重新计算分析叶片固有频率，由于考虑了非线性影响，因此可以比较准确地预估在离心力作用下的运行状态固有频率。根据设计要求，对该频率进行评估，看是否符合安全运行要求，如不符合，调整叶片结构，重复以上操作，直至叶片频率满足要求。据此所设计出的叶片结构可有利于保障在设计状态下能够安全运行。

根据以上技术方案，考虑离心力影响的风力机叶片动态频率分析与叶片设计过程如下：

1)根据静止状态下情况，进行叶片常规设计，获得叶片结构、尺寸等参数。

2)根据步骤1中的叶片结构参数，使用有限元数值方法进行分析，计算出叶片在静止状态下的固有频率。固有频率的分析计算范围，可根据具体的叶片设计要求确定，一般包括叶片挥舞一阶固有频率、挥舞二阶固有频率和摆振一阶固有频率等。如图1、2、3所示，分别为叶片挥舞一阶固有频率振型，挥舞二阶固有频率振型，摆振一阶固有频率振型。

3)根据使用的设计要求，将步骤2中固有频率的计算结果，与所要求的频率范围进行比照，如不符合，调整叶片结构参数，重复步骤2的分析过程，直至频率满足设计要求。

4)在步骤3分析的基础上，再根据叶片运行转速范围，计算叶片的离心惯性载荷。

5)将离心惯性载荷施加于叶片上，分析评估该载荷对结构的非线性影响，并计算在这种影响下叶片结构刚度的变化，利用变化后的结构刚度，重新计算叶片动态下的固有频率。

6)评估步骤5中计算得到的固有频率是否符合安全运行要求，如不符合，调整叶片结构，重复步骤5的操作，直至叶片频率满足要求。

以下结合实例作详细说明。

以某1.5MW风电机组为例，风轮转速在11～19rpm范围之间。风力机叶片动态固有频率分析及叶片设计过程示范如下：

1)根据静止状态下情况，采用常规方法进行叶片设计，获得叶片结构、尺寸等参数。根据叶片结构参数，使用MSC.Patran/Nastran等有限元结构分析软件进行分析，计算出叶片在静止状态下的固有频率。挥舞一阶为0.86Hz，挥舞二阶为3.55Hz，摆振一阶1.14Hz。

2)根据步骤1中固有频率的计算结果，与设计要求的频率范围进行比照，符合设计频率要求，因此不再对叶片结构进行调整。

3)根据叶片运行转速下限为11rpm，计算其离心惯性载荷。将惯性载荷施加于叶片上，考虑非线性影响，使用MSC.Patran/Nastran结构分析软件进行分析，计算在这种影响下刚度的改变，重新计算叶片固有频率。得到结果是，挥舞一阶为0.89Hz，挥舞二阶为3.58Hz，摆振一阶1.16Hz。

4)再根据叶片运行转速上限为19rpm，计算其离心惯性载荷。将惯性载荷施加于叶片上，考虑非线性影响，并计算在这种影响下刚度的改变，重新计算叶片固有频率。得到结果是，挥舞一阶为0..94Hz，挥舞二阶为3.64Hz，摆振一阶1.20Hz。

5)根据设计要求，评估步骤4、5中计算得到的固有频率，均符合安全运行要求，因此不再对叶片结构进行调整，该设计过程完成。

经过以上设计过程，可保证叶片在运行情况下固有频率处于合理范围，保障叶片安全运行。

Claims

1.一种风力机叶片动态频率分析与设计方法，其主要步骤为：

3)根据使用的设计要求，将步骤2中固有频率的计算结果与所要求的频率范围进行比照，如不符合，调整叶片结构参数，重复步骤2的分析过程，直至频率满足设计要求；

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1中静止状态下的叶片参数包括叶片结构和叶片尺寸参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2中叶片在静止状态下固有频率，以及步骤5中叶片在运行状态下固有频率包括叶片挥舞一阶固有频率、挥舞二阶固有频率和摆振一阶固有频率。