摘要
压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应;再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型,分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式,揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明:提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果;压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,延长气弹失稳的能量积累时间;压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量耗散。
随着深远海风能的持续开发,15 MW特大型风力机叶片已突破百米量
针对此类双重非线性和气弹耦合效应显著的风力机超长柔性叶片,气弹风洞试验是研究其运动机理及压电抑振效应的有效方式。然而,风力机叶片受限于其渐变连续翼型、复合铺层受力主梁、三心一轴的展向不规则分
鉴于此,本研究首先提出了基于气动‑刚度‑质量分布缩尺映射的风力机叶片等效梁截面气弹模型设计方法;然后采用独立搭建的同步测振测力系统开展了15 MW风力机叶片全风向气弹风洞试验,采用互补集合经验模态分解
以美国可再生能源实验室(NREL)预研的15 MW风力机叶
叶片翼型号 | 展长/m | 弦长/m | 扭角/rad | 预弯/m |
---|---|---|---|---|
FFA-W3-211 | 117.00 | 0.50 | -0.02 | 4.00 |
FFA-W3-211 | 111.15 | 1.99 | -0.03 | 3.43 |
FFA-W3-211 | 90.29 | 2.90 | -0.3 | 1.71 |
FFA-W3-241 | 74.67 | 3.50 | 0.00 | 0.73 |
FFA-W3-270blend | 62.91 | 3.96 | 0.02 | -0.18 |
FFA-W3-301 | 51.38 | 4.48 | 0.04 | -0.12 |
FFA-W3-330blend | 38.47 | 5.15 | 0.08 | -0.24 |
FFA-W3-360 | 29.30 | 5.68 | 0.12 | -0.25 |
SNL-FFA-W3-500 | 17.55 | 5.65 | 0.19 | -0.21 |
circular | 2.34 | 5.21 | 0.27 | -0.02 |
circular | 0.00 | 5.20 | 0.27 | 0.00 |

图1 NREL 15 MW风力机叶片示意图
Fig.1 Schematic of NREL 15 MW wind turbine blade
气弹风洞试验的运动相似需要同时满足流体运动相似与结构运动相似,风力机叶片所在流场空气为低速、不可压缩、牛顿黏性流体,其流体运动方程与结构运动方程分别为:
(1) |
(2) |
式中 x表示坐标系主轴;u表示流体运动广义速度,其中,下标“i”和“j”指代不同的方向;t为时间;F为流体广义外力;ρ为空气密度;P为压强;ν为空气的动力黏度,ν=μ/ρ,其中μ为空气的运动黏度;ω为结构频率;M为广义质量;K为广义刚度;c为阻尼系数;V为流场速度;b为参考长度;A为广义空气动力系数;q为广义坐标。
引入符号λX表示模型的Xm与原型的Xa之比,即λX=Xm/Xa,为保证原型和模型流体运动与结构运动的相似性,各物理量的比
(3) |
(4) |
现有气弹试验的流场“自模性”研
相似系数 | 相似比 | 原型 | 模型 |
---|---|---|---|
几何缩尺比λL | 1∶70 | 117 m | 1.67 m |
密度比λρ | 1∶1 | 1.29 kg/m³ | 1.29 kg/m³ |
风速比λV |
1∶7 | 52.71 m/s | 6.30 m/s |
时间比λt |
1∶7 | 8.37 s | 1 s |
频率比λω |
7 | 0.555 Hz | 4.682 Hz |
质量比λM |
1∶7 | 65.25 t | 369.27 g |
刚度比λK |
1∶7 | 46.55 MPa | 0.0277 Pa |
阻尼比λc | 1∶1 | 3% | 2.1% |
综合考虑相似准确性与制作难度,提出等效梁截面法进行风力机叶片的气弹模型设计,

图2 风力机叶片等效梁截面气弹模型设计法示意图
Fig.2 Schematic of aeroelastic model design method of equivalent beam section of wind turbine blade

图3 叶片气弹模型设计制作示意图
Fig.3 Schematic of aeroelastic model design and production
为验证风力机叶片气弹模型的有效性,采用锤击法对叶片气弹模型进行敲击,采用随机减量
阶数 | 振型 | 频率/Hz | 误差/ % | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
NREL报告 | 有限元模型 分析 | 气弹模型 测试 | |||||
分析 结果 | 换算 结果 | 分析 结果 | 换算 结果 | ||||
1 | 一阶挥舞 | 0.555 | 4.643 | 0.555 | 4.724 | 0.565 | 1.70 |
2 | 一阶摆动 | 0.642 | 5.371 | 0.642 | 5.882 | 0.703 | 8.68 |
3 | 二阶挥舞 | — | 13.369 | 1.598 | 14.048 | 1.679 | 5.08 |
4 | 二阶摆动 | — | 16.106 | 1.925 | 16.608 | 1.985 | 3.17 |
5 | 三阶挥舞 | — | 25.234 | 3.016 | — | — | |
6 | 一阶扭转 | — | 32.722 | 3.911 | — | — |

图4 气弹模型阻尼比随振幅变化示意图
Fig.4 Schematic of aeroelastic model damping ratio changing with amplitude
采用独立搭建的非接触式高速摄像测振系统与时域同步的六分量天平实现同步测振测力,

图5 工况设置与采集系统示意图
Fig.5 Schematic of workings condition settings and acquisition system
通过调试粗糙元排放和尖劈布置进行竖直叶片的大气边界层风场模拟,塔筒顶高145 m,风力机叶片长117 m。

图6 试验段风场剖面与脉动风谱曲线
Fig.6 Test section wind field profile and fluctuating wind spectrum curves
试

图7 风洞风速为7.1 m/s的叶尖挥舞均方根对比图
Fig.7 Comparison of RMS of blade tip displacement with wind tunnel wind speed of 7.1 m/s

图8 叶尖三阶段挥舞时频谱示意图
Fig.8 Schematic of the time-frequency spectrum of the three-stage blade tip displacement

图9 叶尖挥舞均方根随风向角与风速变化对比图
Fig.9 Comparison of RMS of blade tip displacement changes with wind direction angle and wind speed

图10 气弹失稳的风向角-临界风速区对比图
Fig.10 Comparison of wind direction angle and critical wind speed zone of aeroelastic instability
为进一步分析压电铺设对风力机叶片气弹模型风振时频能量分布的影响,首先选取典型敏感风向角下两种风振工况(小幅随机振动、大幅锁频振动)进行对比分析。

图11 大幅锁频振动状态叶尖挥舞时频对比图
Fig.11 Time-frequency comparison diagram of wind-induced vibration of blade tip in a large-amplitude frequency-locked vibration state

图12 小幅随机振动状态叶尖挥舞时频对比图
Fig.12 Time-frequency comparison diagram of wind‑induced vibration of blade tip in small-amplitude random vibration state
基于互补集合经验模态分解法改进传统经验模态分解法模态混叠现象和残余辅助噪声问题,提取较为解耦的内涵模态分量(IMF)。

图13 两种振动状态下的IMF分量对比图
Fig.13 Comparison of IMF components of two vibration states

图14 两种振动状态下的IMF3~7分量对比箱线图
Fig.14 Comparison box plot of IMF3~7 components of two vibration states
在此基础上通过希尔伯特变换(HT)将各工况下分解获取的IMF分量转换成希尔伯特谱,将所有分量集合获得风振总能量的时频演化图,从幅值‑时间‑频率的时频全尺度进行风力机叶片模型非平稳风振能量分布的压电效应分析。

图15 两种振动状态下的HHT谱对比图
Fig.15 Comparison of HHT spectrum of two vibration states
为构建压电风力机叶片的能量耗散机制数理概念,首先梳理其压电结构系统动力学模型。试验叶片模型在每个压电单元上串联了一个分支电路,再将各个叶素的压电分支电路通过电路并联起来形成压电网络,实现整个机电耦合系统各叶素之间同时在机械场和电场上存在能量耦合。本文假设压电叶片结构系统的压电片等效压电单元与叶片等效叶素刚度并联,通过在叶片动力学方程嵌套压电网络矩阵构成机电耦合叶片结构系统,如

图16 压电叶片动力学模型
Fig.16 Dynamical model of piezoelectric wind turbine blade
压电叶片自由度xd,j的机电耦合力Fe,j和叶素j中压电分支电路的电路动力学方
(5) |
(6) |
式中 kγ为压电片在开路状态下的机械刚度;ke为压电单元的机电耦合因子;ks为分支电路内置电容的倒数;Qj为叶素j的电荷自由度;p为风力机叶片压电网络总压电片数量;l为压电叶素序号。
并联压电网络导致叶素承受所有压电片的机电耦合力。压电叶片沿展向交替分布无压电叶素和有压电叶素,假设各叶素仅受相邻叶素影响,压电叶片叶尖自由端、叶根固定端和分支电路段动力学方程,以及中间压电段的有压电叶素与无压电叶素具有的相同形式的动力学方程分别为:
(7) |
(8) |
(9) |
(10) |
式中 和分别为叶片自由度对时间t的一阶导数与二阶导数;和分别为无压电叶素和有压电叶素所受的激振力。式(
将单叶素动力学方程采用广义矩阵扩展至整个叶片结构,叶素数为N的压电网络风力机叶片结构动力学方程为:
(11) |
(12) |
(13) |
式中 M,C和K分别为机电耦合系统的质量、阻尼和刚度矩阵;x(t)为机电耦合系统的广义位移向量,F(t)为机电耦合系统激振力向量。
机电耦合系统参数矩阵形式为:
(14) |
(15) |
(16) |
(17) |
式中 为机械质量矩阵,mi(i=1,2,…,N)为各叶素的等效质量,为电路质量矩阵;为机械阻尼矩阵,为电路阻尼矩阵;为机械刚度矩阵,为电路刚度矩阵,和为机电耦合刚度矩阵;Bdiag(·)表示块对角阵,块对角矩阵只有在主对角线上有非零子块,其余子块均为零矩阵,且非零子块均为方阵。
为了模拟压电叶片风激振动的随机非定常振动能量耗散过程,依托开源的OpenFAST源程序进行自定义编译,基于考虑B‑L动态失速的叶素动量理论(BEM)与二次开发考虑压电效应的几何精确梁理论(GEBT)建立了压电网络风力机叶片的机电气弹耦合模型。通过与NREL试验数
阶数 | 振型 | 频率/Hz | 误差/% | |
---|---|---|---|---|
NREL报告 | 本机电模型 | |||
1 | 一阶挥舞 | 0.555 | 0.558 | 0.53 |
2 | 一阶摆动 | 0.642 | 0.647 | 0.77 |
3 | 二阶挥舞 | — | 1.565 | — |
4 | 二阶摆动 | — | 2.972 | — |
5 | 三阶挥舞 | — | 3.213 | — |
6 | 一阶扭转 | — | 4.898 | — |
为探究风力机叶片在压电效应作用下的机电气弹耦合模态特性,

图17 压电叶片机电气弹耦合模态参数对比图
Fig.17 Comparison of electrical-aeroelastic coupling mode parameters of wind turbine blade
为进一步分析压电叶片风振能量的分布规律,

图18 1.8 rad/s转速下叶尖位移功率谱密度对比图
Fig.18 Comparison of blade tip displacement PSD at 1.8 rad/s speed
为了评价失稳叶片系统模态能量分布形式,定义了模态能量均匀化因子H进行叶片结构能量的均匀化程度量化描述:
(18) |
式中 为最大振幅模态所集聚的振动能;为所有截取振动模态的平均振动能。该参数描述了叶片最大振幅模态振动能量与所有截取叶片模态平均振动能量的相对比例,H的值越小说明均匀化程度越高,能量集聚程度也就越低。

图19 有无压电叶片模态能量均匀化因子时程对比曲线
Fig.19 Time‑history comparison curves of blade modal energy homogenization factor with or without piezoelectricity
本文系统探索了15 MW风力机超长柔性叶片压电抑振效应和能量耗散机制,在风力机叶片气弹试验方法、气弹风振特性、压电抑制效应和机电气弹耦合效应等方面取得了研究进展。主要结论如下:
(1) 提出的风力机叶片等效梁截面气弹模型设计方法能实现叶片的气动‑刚度‑质量一体化缩尺映射,基于高速摄像和六分量天平的测振测力采集系统可实现高精度、零干扰的气弹响应同步测量。
(2) 风力机叶片在敏感风向角下超过临界风速发生大幅锁频振动,而其余工况下即使大风速也仅呈现小幅随机振动;风力机叶片气弹发散风振呈现三阶段非平稳振动,振幅随时间先逐渐增加,接着保持稳定后再增加,最后发展成为极限环振动。
(3) 压电材料可延缓叶片各阶段风振发展的能量积累,缩小敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,导致叶片结构风振能量转移两极分化,分别聚集到低频区间共振和高频区间耗散。
(4) 风力机叶片在压电网络作用下形成一个能量通道,在三维空间表现为叶片各叶素的最大变形响应趋于一致,而在模态空间呈现叶片不同模态之间的能量响应趋于一致,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量持续耗散。
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