CN102564750B

CN102564750B - 一种水平轴风力机叶片模态测试结果修正方法

Info

Publication number: CN102564750B
Application number: CN201110445105.4A
Authority: CN
Inventors: 石可重; 徐建中
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Zhongke Guofeng science and Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: CN102564750A

Abstract

本发明公开了一种水平轴风力机叶片模态测试结果修正方法，包括以下步骤：测定固定在试验台架上静止叶片的模态参数；模拟试验环境，采用数值仿真方法进行叶片模态评估；对比试验与计算，完善计算结果；考虑叶片在实际运行情况下多种载荷对动态频率的影响，进行频率计算修正，获得静止与运行两种情况频率数值的比例关系；利用该比例关系对叶片模态测试结果进行修正，得到叶片运行情况下的固有频率。通过以上方法可达到不必直接对运行机组叶片进行模态测量，就能够实现得到运行状况下叶片动态结构频率参数的目的，为叶片的设计、研发与检测提供了一条有效、经济的动力性能评定方法。

Description

一种水平轴风力机叶片模态测试结果修正方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力机叶片的模态测试方法。

背景技术

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，从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。

风电叶片的动力特性是风电叶片设计、制造、运行中所关注的一项重要指标。在风电叶片设计中，一般都要求风电叶片能满足20年的使用寿命。风电机组在长期的运行情况下，承受各种复杂的载荷，尤其是各种定常或非定常动态载荷，严重影响风电机组安全运行的可靠性和使用寿命。准确评估叶片实际运行环境下的动力学特性，尤其是叶片动态下的结构频率，是保证叶片安全运行的一项前提，因此在叶片的设计阶段和检测过程中，合理有效的预测叶片运行情况下的结构频率就十分重要。

然而恶劣的工作环境，特殊的材料性质，以及结构与工艺所带来的种种问题，给叶片现场运行环境下的频率测定带来相当大的难度。目前叶片的固有频率测定主要是通过将叶片固定在试验台架上，通过对这种静态环境下的叶片进行模态测试来获得。

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，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，同时其它各种运行载荷也都有可能产生非线性变形，这些非线性因素会造成叶片结构刚度相对静止状态下发生改变，进而导致静态环境下的结构固有频率，与运行情况下实际的固有频率会有所不同。因此，单纯依靠试验台架上的试验，不能准确预估叶片的实际固有频率。

由于叶片固有频率是影响叶片安全运行的重要因素，因此，如不能准确评估叶片运行下的固有频率，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，有必要提供一种对台架试验所测得的风力机叶片固有频率的修正方法，使得在叶片挂机运行之前，能够比较准确地考虑各种载荷对固有频率的影响，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。

本专利所提供方法，就是针对这一目标所发明的，可通过对叶片静态条件下的模态测试结果进行相关修正，以达到模拟和评估叶片运行环境下的结构动态频率的目的。该方法可利用现有国内外叶片检测设施，采用比较经济的检测方法，获得比较精准的检测效果，具有十分重要与现实的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对风力机叶片在试验台架上所开展的模态测试难以真实反映叶片实际运行情况下的结构频率这一问题，本发明提出了一种对试验台架模态检测结果进行修正，获得实际运行环境下叶片结构频率的方法，依据该方法进行风力机叶片测试，可在保障检测成本较低的前提下，提高对叶片实际结构频率的评判精度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种利用数值仿真分析结果对叶片静态情况下的模态测试结果进行修正，以获得更为准确的叶片动力性能参数的测试修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)采用现有通用的环境激励模态试验方法，对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振与扭转方向的模态测试，获取不同方向下的叶片固有频率；

2)采用数值仿真方法，模拟1)中的试验环境，分别对叶片挥舞、摆振与扭转方向进行模态数值分析，计算叶片在不同方向下的固有频率；

3)对步骤1)的测试结果和步骤2)的数值仿真结果进行对比，对试验与计算中叶片的尺寸结构、材料性能等参数进行分析，寻找影响数值计算准确度的因素，进而完善数值计算中的相关尺寸结构、材料性能等参数；

4)利用步骤3)中经过完善的尺寸结构、材料性能等参数重新进行步骤2)中的数值计算过程，以获得良好的数值仿真结果；

5)根据叶片实际运行转速范围计算叶片的离心惯性载荷，并将离心惯性载荷施加于叶片上，采用非线性有限元技术，通过非线性迭代修正过程，可获得结构在该载荷作用下刚度矩阵的改变量，与叶片静止状态下的刚度矩阵相叠加，即得到在相应载荷作用下叶片的刚度矩阵。采用同样的技术计算出叶片在重力、气动等载荷作用下的非线性影响，得到叶片运行工况下的结构刚度矩阵。将该矩阵导入到叶片模态计算中，计算出以上所述载荷作用下的叶片固有频率，即叶片动态频率；

6)分析比较步骤4)、5)中的频率计算结果，获得二者之间的数值比例关系；

7)将步骤6)中所得到的数值比例关系，引入到步骤1)中，对步骤1)中获得的叶片各方向的频率值进行修正，模拟得到叶片真实运行情况下的结构频率值。

优选的，采用该方法进行叶片模态分析，其前提在于对固定在试验台架上的静止叶片进行挥舞、摆振与扭转方向的模态测试，获取各自方向下的固有频率。

优选的，采用数值仿真手段建立叶片在静态与动态情况下结构固有频率的数值比例关系。

优选的，通过进行测试与计算的相关性分析，用以完善数值仿真过程及结果。

优选的，将数值仿真所获得的叶片静态与动态情况下结构固有频率的数值比例关系应用于叶片静态条件下测试结果的修正，模拟出叶片动态测试的结果。

优选的，为了使计算结果更为精确，采用有限元数值技术进行叶片结构的数值仿真。

优选的，为了反应叶片在实际运行情况下载荷对固有频率的影响，在数值仿真分析中，采用了非线性分析方法。

(三)有益效果

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：

1)与现有单纯采用静态条件下的模态测试方法相比，采用该方法可提高对运行情况下性能评估的精度。

2)与直接在运行机组上安装测试设备，进行动态条件下的结构频率相比，采用该方法对检测设备与环境的要求较低，能满足当前大多数检测机构和叶片企业的条件要求，且检测成本大大降低。而且可以在叶片试制之后、挂机运行之前就得到比较准确的性能数据，有利于设计的优化。

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

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施例对象为某1.5MW风电机组，该机组运行工况下风轮转速在11～19rpm范围之间。由于该叶片扭转刚度较高，扭转频率处于安全范围，因此本实例仅对挥舞、摆振方向模态进行分析，采用以下步骤对叶片结构频率进行测试和结果修正，为便于描述，本实例中载荷对频率的影响仅就惯性载荷的影响进行分析：

1)将该叶片固定在试验台架上，根据叶片不同振型特点确定叶片表面传感器的布置方案，采用环境激励模态试验方法进行试验和数据采集，通过对采集的信号进行分析，可获得叶片在挥舞、摆振方向的模态信息，以上过程为目前叶片模态测试的通用技术；

2)使用MSC.Patran/Nastran等有限元结构分析软件进行数值仿真方法，模拟1)中的试验环境，分别对叶片挥舞、摆振方向进行模态数值计算，获得叶片在不同方向下的振型和固有频率；

4)利用步骤3)中经过完善的尺寸结构、材料性能等参数重新进行步骤2)中的数值计算过程，以获得良好的数值仿真结果，所得各阶振型如附图1)、2)、3)所示；

5)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，分析评估该载荷对结构的非线性影响，计算出在这些影响下叶片结构刚度的变化，利用变化后的结构刚度，计算出叶片在该转速下的动态固有频率；

6)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，计算出叶片在该转速下的动态固有频率；

7)将步骤5)、6)中的动态频率计算结果，分别与4)中静态频率结果相除，获得动静态频率之间数值比例关系的上下限；

8)将步骤6)中所得到的比例关系上下限数值，引入到步骤1)中，对步骤1)中获得的叶片各方向频率值进行修正，模拟得到叶片在11～19rpm范围之间真实运行情况下结构频率的数值范围。

通过以上步骤实施，利用目前普遍使用的风力机叶片模态测试条件和设备，结合数值仿真计算，获得了可以描述叶片动态情况下的频率参数。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水平轴风力机叶片的模态测试结果修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）采用现有通用的环境激励模态试验方法，对固定在试验台架上的叶片进行挥舞、摆振与扭转方向的模态测试，获取不同方向下的叶片固有频率；

2）采用数值仿真方法，模拟步骤1）中的试验环境，分别对叶片挥舞、摆振与扭转方向进行模态数值分析，计算叶片在不同方向下的固有频率；

3）对步骤1）的测试结果和步骤2）的数值仿真结果进行对比，对试验与计算中叶片的尺寸结构、和/或材料性能参数进行分析，寻找影响数值计算准确度的因素，进而完善数值计算中的相关尺寸结构、和/或材料性能参数；

4）利用步骤3）中经过完善的尺寸结构、和/或材料性能参数重新进行步骤2）中的数值计算过程，以获得良好的数值仿真结果；

5）根据叶片实际运行转速范围计算叶片的离心惯性载荷，并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，同时分析重力载荷、气动载荷的非线性影响，计算出在这些非线性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）分析比较步骤4）、5）中的固有频率计算结果，获得二者之间的数值比例关系；

7）将步骤6）中所得到的数值比例关系，引入到步骤1) 中，对步骤1）中获得的叶片各方向的固有频率值进行修正，即将步骤1）中获得的叶片各方向的频率值乘以步骤6）中所得到的数值比例关系，模拟得到叶片真实运行情况下的结构频率值。

2.根据权利要求1所述的水平轴风力机叶片的模态测试结果修正方法，其特征在于，采用该修正方法进行叶片运行情况下结构频率的分析与评估，其前提在于对固定在试验台架上的静止叶片进行挥舞、摆振与扭转方向的模态测试，获取各方向下的固有频率。

3.根据权利要求1或2所述的水平轴风力机叶片的模态测试结果修正方法，其特征在于，所述数值仿真方法为有限元数值分析方法。

4.根据权利要求1或2所述的水平轴风力机叶片的模态测试结果修正方法，其特征在于，为了反应叶片在实际运行情况下载荷对固有频率的影响，在数值仿真分析中，采用了非线性分析方法。