[發明專利]一種水平軸風力發電機組葉片扭轉減振裝置及方法

在審

• 申請號: 202010779882.1
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111810355A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 鄭磊;任革學;許世森;郭小江;丁坤;王茂華;陳曉路;史紹平
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司;華能集團技術創新中心有限公司;華能新能源股份有限公司;華能國際電力股份有限公司江蘇清潔能源分公司
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06;F03D7/02;F03D80/70;F16F15/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

本發明提供的一種水平軸風力發電機組葉片扭轉減振裝置及方法，包括多個扭轉振動機構和扭轉彈簧，多個扭轉振動機構分別布置在迎風面主梁和背風面主梁之間，位于不同展向位置的截面內；所述扭轉振動機構包括軸承和軸承支架，其中，所述軸承安裝在軸承支架上；所述軸承支架固定在迎風面主梁和背風面主梁上；相鄰的兩個扭轉振動機構的軸承之間通過扭轉彈簧連接。該裝置的研發，無需介入整機設計環節，可結合葉片設計獨立實現，不影響葉片自身的安全性。

技術領域

本發明涉及風力發電機組葉片減振，特別涉及水平軸風力發電機組葉片扭轉減振裝置及方法。

背景技術

隨著水平軸風力發電機組單機容量大型化、輕量化的發展趨勢不斷推進，機組設計制造技術進展顯著，葉片長度增加、機組功率增大、部件重量減輕、關鍵部位安全裕度降低，結構也逐漸展現出非線性特性。葉片作為捕獲風能的重要工具，總體而言柔性在增加，不僅僅局限于揮舞、擺振方向的撓度增大，扭轉方向的變形也變得不可忽略。

葉片在流場中的動力學響應屬于典型的流固耦合問題，柔性增加使得承受風載與自身變形之間的相互影響加劇，存在更容易激勵起扭轉振動的可能——由于葉片長度增加，揮舞、擺振方向撓度增大，使得翼型截面氣動載荷合力更容易偏離葉片旋轉軸線，形成扭轉力矩；而結構優化方法決定了扭轉剛度并未顯著提升，致使扭轉變形增大、扭轉固有頻率降低。細長柔性葉片在運行過程中，更容易出現氣動彈性失穩現象。

顫振屬于氣動彈性動態失穩問題，即在短時間內(一般十數秒到幾十秒)，葉片振幅累積增大，引發應力超過材料許用極限的情況，致使葉片出現裂紋、加速擴展甚至斷裂。顫振出現時，除伴隨有嗡鳴和尖嘯聲外，并無其它先兆，屬突發性事故，對機組安全性影響巨大。根據顫振產生的空氣動力學原因，又可將其分為兩類：第一類，是葉片升力系統處于失速攻角附近而產生的氣動彈性失穩現象，與氣流分離和場渦形成有關，稱為失速顫振。當來流攻角足夠大，翼型附近流場附面層會出現分離、發展，截面升力下降(即失速現象)，推動風輪旋轉的動力載荷降低，對應微分方程表現出正阻尼情況，引發擺振方向大幅振動能量累積，也可能同時附帶其它振動形式存在。第二類，是葉片扭轉和揮舞方向產生的耦合自激不穩定振動，與氣流分離和邊界層效應關系不明顯，稱為經典顫振。扭轉、揮舞方向變形相互影響，使得結構所承受風載與彈性位移之間形成規律周期變化并滿足特定相位關系，對應微分方程表現出正阻尼情況，引發扭轉、揮舞方向大幅振動能量累積，也可能同時附帶其它振動形式存在。目前，因為顫振而導致運行過程中風機失效和損壞的例子屢見不鮮。2003年9月，汕尾紅海灣風電場因為臺風“杜鵑”的襲擊引發大多數風機葉片出現扭轉顫振而受損，經濟損失嚴重。因而，提高葉片氣動彈性穩定性、避免顫振現象的發生，對經濟性和安全性都具有非常重要的意義。

顫振分析一般涉及彈性葉片復雜結構特征、葉片周圍非定常流場特征描述以及二者之間相互耦合機理的分析，因此，葉片顫振邊界的預測和顫振特性的研究是一項非常困難的工作。

在實際工程中，為防止和解決葉片氣動彈性失穩問題，大體有以下方法可以選擇：

1)在設計過程中，判斷氣動彈性失穩臨界點，調整葉片質量分布、剛度分布或控制機組運行狀態，以維持足夠安全余量，保證葉片氣動彈性穩定。該類方法一般適用于氣動彈性靜態失穩問題。而對于氣動彈性動態失穩問題的時域模擬，由于物理問題本身的敏感性，在計算方法、建模簡化、邊界定義、求解精度和收斂性等方面還有待探討研究。