1、长叶片机组锁风轮状态下的叶片稳定性鉴衡认证-风能整机客户线 2023年04月蔡志崧1 背景1叶片失稳振动现象以一阶振型为主（亦存在少量二阶振型振动案例），呈现大幅晃动现象；实际案例中，140m以上风轮直径机组即可出现叶片失稳，某D190的机组，吊装时叶片失稳的风速可低至5m/s；叶片失稳风险与风轮直径、环境条件及机组状态相关，且叶片越长，发生概率越高2 基于叶素动量理论和多体动力学的分析方法1分析方法建立一般性风电机组载荷仿真模型（D190）；机组状态考虑锁风轮时的风轮方位角与不同对风偏差的组合；输入不同的风速范围；寻找叶片载荷发散严重的风速、风向及方位角组合。1st edgewise2经过对
2、仿真样本统计，叶片载荷发散将对叶经过对仿真样本统计，叶片载荷发散将对叶片造成额外的安全性风险：片造成额外的安全性风险：叶片载荷发散样本关键出力段的截面攻角处于失速段失速段；部分恶劣风况及机组状态下的叶片失稳发散载荷甚至会超过其设计极限值，增加了叶片极限破坏极限破坏的风险；以某190米级风轮直径机组为例，在特定状态下，风速30m/s下持续作用半小时半小时，将损伤5年左右叶片疲劳寿命年左右叶片疲劳寿命。叶片失稳风险分析叶片失稳摆振极限统计载荷叶片失稳摆振极限统计载荷叶片失稳摆振时序叶片失稳摆振时序叶片失稳攻角分析叶片失稳攻角分析3 基于CFD及有限元的分析方法1分析方法概述为了更好的研究涡脱落导致
3、的波动的气动力，以及其和叶片的动态响应，我们使用了CFD及有限元方法进一步分析，主要方法如下：根据叶片几何尺寸采用 CFD 仿真方法获得 St 参数和升力系数Cl；通过计算获得叶片不同截面的临界风速并计算对应的涡激振动载荷；在 ANSYS 有限元软件中采用简谐振动方法分析叶片的振动情况。CFD-Cl计算叶片气动载荷计算叶片振动分析CFD-St计算涡激临界风速计算涡激发生条件分析分分析析思思路路2仿真设置案例模型：案例模型：某90m+叶片一般性模型求解参数参数：求解参数参数：各截面、各攻角下的St、Cl系数仿真参数仿真参数设置情况设置情况网格类型四边形结构网格流场计算区域30倍翼型弦长求解方程雷
4、诺时均方法求解 N-S方程湍流模型剪切应力输运SST、k-二方程模型边界条件速度入口、压力出口、翼型壁面无滑移条件求解器SIMPLIC（压力速度耦合）3计算结果（1）20 50攻角区为一条负斜率直线；（2）50 130攻角区近似为一条水平直线；（3）130攻角后再次呈现为负斜率直线；在攻角在攻角50 130，St 相对稳定，也是机组侧相对稳定，也是机组侧对风时的攻角范围，因对风时的攻角范围，因此作为后续分析的重点。此作为后续分析的重点。（1）4-6m/s临界区间叶片6587m区域区域存在叶片涡激振动风险；（2）现场观测该长度叶片5m/s情况下已实际发生过叶片停机时的振动情况St仿真结果仿真结果
5、临界风速推算临界风速推算（1）近似为简谐函数；（2）变化幅值近似为0.7（以77m截面为例）；（3）频率）频率0.48Hz，与叶片，与叶片一阶摆振频率接近！一阶摆振频率接近！Cl仿真结果仿真结果4计算结果该叶片摆振方向上叶尖单边最大位移约为 2m，对应的频率为叶片摆振频率 0.48Hz而根据相关现场视频，叶片叶尖单边最大位移近似 2m，方向沿摆振方向。由此可看出，叶片实际振动位移和理论分析结果基本一致。4 总结与建议1叶片失稳振动场景叶片吊装故障待修运维误操作电网故障限制的机组状态+较稳定的流场无法偏航对风、部分场景锁风轮长柔叶片风轮140m以上叶片失稳风险增加某特定的风速观测的叶片失稳风速低
6、至5m/s2研究成果总结与建议现阶段，使用仿真分析的方法，可一定程度地复现叶片失稳的情况，但现阶段，使用仿真分析的方法，可一定程度地复现叶片失稳的情况，但受限于不同方法及软件的局限性，理论分析的方法还需进一步研究和及受限于不同方法及软件的局限性，理论分析的方法还需进一步研究和及验证。验证。但叶片失稳振动的情况已经多次发生，因此，需要研究并制定出一套防但叶片失稳振动的情况已经多次发生，因此，需要研究并制定出一套防范叶片失稳振动的有效方案。范叶片失稳振动的有效方案。目前行业内已存在如下的防控建议，但其有效性仍需进一步的分析和验目前行业内已存在如下的防控建议，但其有效性仍需进一步的分析和验证。证。1、降低吊装等锁风轮及无法偏航对风场景下的作业时间、降低吊装等锁风轮及无法偏航对风场景下的作业时间2、叶片吊装期间安置扰流网兜、叶片吊装期间安置扰流网兜3、特殊工况下的偏航、变桨控制、特殊工况下的偏航、变桨控制15谢谢Thank You
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