小型风力发电机叶片模态特性分析

作者简介： 陈祥彬（1985-），男（汉），硕士研究生，

摘要：以800 W水平轴风力发电机叶片为对象，研究其叶片的模态特性.从理论上介绍了应力刚化和旋转软化对叶片固有频率的影响，并给出了考虑应力刚化和旋转软化效应的振动方程；利用ANSYS软件建立了有限元模型，分别对风力发电机叶片在仅考虑应力刚化或旋转软化时，以及同时考虑应力刚化和旋转软化时的模态特性进行了计算分析.计算结果表明：应力刚化对固有频率的影响比旋转软化大；仅考虑旋转软化时，叶片的固有频率比零旋转角速度时低；而综合两者的影响时，叶片的固有频率比零旋转角速度时高.

关键词：

风力机； 叶片； 应力刚化； 旋转软化； 固有频率； 模态分析

中图分类号： TK 83文献标志码： A

叶片在风力发电机中承担着将风能转化为电能和其它形式能量的任务，是风力发电机的关键部件之一.由于玻璃钢材料具有重量轻、强度高、耐老化等优点，国内外已普遍采用玻璃钢材料的叶片[1].风力发电机叶片是一种弹性结构，它在工作中一般受空气动力载荷、重力和惯性载荷等作用.当受到激振力的作用时，叶片会产生强迫振动，而当激振力频率和固有频率相同或相近时，叶片会发生共振.因此，为避免共振，对叶片的固有频率进行分析计算具有一定的研究意义.

叶片在工作时，绕转轴作旋转运动，产生离心惯性力，使叶片的刚度增大，即为应力刚化现象.1987年，Kane等[2]首次提出了“动力刚化”的概念.叶片固有频率除受应力刚化影响外，还受旋转软化的影响.旋转软化是因大变形几何非线性产生的效应，它使系统刚度减小.廖日东等[3]探讨了旋转软化效应下涡轮叶片的模态特性；Xiao等[4]以移动刚体上的梁为研究对象，考虑了应力刚化和旋转软化的影响，分析了梁的动态特性和稳定性；李德信等[5]研究了应力刚化和旋转软化对轴流式压缩机叶片固有频率的影响，计算了叶片的动应力，为叶片的调频和振动特性的改善提供了依据.本文综合考虑应力刚化和旋转软化的影响，对800 W小型风力发电机叶片的固有频率及其模态特性进行分析.

1叶片振动的理论基础

1.1基本理论

1.3旋转软化效应

旋转物体由于离心力的作用使其产生变形，从而引起刚度减小的现象称为旋转软化.以旋转的弹簧-质量系统说明旋转软化现象.如图1所示，在小变形情况下系统的平衡方程为

2风力发电机叶片模态分析

4结论

对于小型风力发电机叶片，应力刚化和旋转软化都对其固有频率有一定的影响.比较而言，旋转软化对叶片的固有频率的影响要比应力刚化小；仅考虑旋转软化时，叶片固有频率比旋转角速度为零时低.还研究了应力刚化和旋转软化共同作用时对叶片固有频率的影响，所得结果接近于仅考虑应力刚化时的固有频率.这更能准确地反映叶片固有频率的真实变化情况.

参考文献：

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[3]廖日东，左正兴，陈宏，等.考虑旋转软化效应的涡轮叶片模态特性研究[J].内燃机学报，2000，18（1）：77-79.

[4]XIAO S F，CHEN B.Dynamic characteristic and stability analysis of a beam mounted on a moving rigid body[J].Archive of Applied Mechanics，2005，74（5/6）：415-426.

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