风力机叶片模态分析及稳定性分析
大型风电叶片的固有频率计算与模态测试分析.doc
大型风电叶片的固有频率计算与模态测试分析摘要：本文应用瑞利法对天威叶片2MW-TW45.3的固有频率进行了计算，通过与模态测试结果进行比较，得出了瑞利法在叶片初步结构设计时计算大型风电叶片固有频率具有足够的精确度、可行性及可靠性。
关键词：模态测试；固有频率；风电叶片中图分类号：TM641 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013）10-0114-01随着我国风力发电的不断发展，风力发电机叶片的长度不断加大，内部结构更趋复杂，由于叶片工作环境的复杂性，叶片的固有振动特性对其稳定性及其动态响应有关键的意义。
当风电机组在自然条件下运行时，作用在风力机叶片上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使叶片结构产生振动，风力发电叶片的振动主要有三种振动型式：（1）挥舞振动；（2）摆振振动；（3）扭振振动。
实际上作用在叶片上的载荷为动载荷，且具有交变性和随机性，当叶片的固有频率与激振力的频率相同时，就会产生共振，从而影响叶片的安全。
一、叶片固有频率计算由于叶片的剖面尺寸远较叶片的长度小，故可以把叶片结构的计算模型简化为一端固定一端自由的悬臂梁进行结构动力特性分析。
变截面叶片的自由振动方程为：令，得频率方程：此频率方程一般不能直接求得解答，工程上通常使用近似的方法。
本文采用一种工程上常用的低阶近似计算方法――瑞利法进行计算。
（一）瑞利法的基本原理。
瑞利法的基本原理是机械能守恒定律。
它的基本思想是：近似地给出系统的基阶振型函数Y（x），在振型Y（x）满足边界条件下，计算系统的最大动能和最大位能，二者相等时，即Tmax=Vmax时，就可以求得系统的基阶固有频率。
（二）瑞利法固有频率的计算。
由材料力学可知，不计剪力的影响，变截面叶片梁的位能为：式中，当位移达到最大值时有ymax=Y，故得到叶片梁的最大位能为：叶片梁的最大速度为：由此得到叶片梁的最大动能为：由Tmax=Vmax可得频率为：式中：E―材料的弹性系数（Pa），J―梁截面弯曲惯性矩（m4）利用上式计算叶片摆振方向和挥舞方向的第一、第二阶频率时，振型函数可选用等截面悬臂梁的振型函数。
机械设计制造及自动化毕业论文-风力机叶片的有限元分析
风力机叶片的有限元分析学生姓名：1111 专业班级：机械设计制造及其自动化2008级10班指导教师：朱仁胜指导单位：机械与汽车工程学院摘要：通过Solidworks软件对3MW风力机叶片进行建模，然后基于ANSYS 和Workbench分别对其进行模态分析和流固耦合分析，其中流固耦合分析中的结构静力分析部分也使用到了ANSYS Mechanical APDL。
其中模态分析结果表示：叶片的振型以摆振和弯曲为主，其一阶模态频率分别为 0.34Hz，能顺利的避开外在激励频率，避免了共振现象的发生。
流固耦合分析对额定风载进行了数值模拟仿真，通过结构静力分析，对叶片的受力，变形情况有了一个基本的了解，其中叶片在额定风载情况下的最大应力为56MPa，远远低于其实测拉伸强度的720MPa。
在11级风载下的应力云图显示其所受的最大应力为83.8MPa，满足其材料的强度要求。
该分析对进一步的疲劳分析和优化设计等提供了参考和依据。
关键词：叶片建模；模态分析；流固耦合分析；结构静力分析1Abstract:Through the Solidworks software build the blade model which power is 3 MW. Then based on the ANSYS and Workbench software,the analysis of modal and fluid-structure interaction.Andthe Static structural analysis is used the ANSYS Mechanical APDL too.The modal analysisresults show that the vibration modes of this blade are presented as Shimmy and bending,Thefirst modes frequency is 0.34Hz.And it can avoid the external excitation frequencywell,Avoid the resonance phenomenon occurs.The analysis of fluid-structure interaction havedo a numerical simulation about Rated wind load,through the Static structural analysis wehave a basic understanding of the stress and deformation about the blade. And the maximumstress of the blade is 56MPa under the rated wind load.Far lower than the Measured tensilestrength of 720MPa.And under the 11 rating wind load.The stress cloud show that maximumstress is 83.8MPa,Meet the strength of the material requirements.This analysis providesa reference and basis for further fatigue analysis and optimization design.Keywords:Blade modeling；Modal analysis；Fluid-structure interaction analysis；Static structural analysis31 概 述风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，风能量具有取之不尽、用之不竭、就地可取、不需运输、广泛分布、不污染环境、不破坏生态、周而复始、可以再生等诸多优点。
风力发电机组稳定性分析与优化研究
风力发电机组稳定性分析与优化研究第一章引言随着能源需求的增加和环保意识的提高，可再生能源的发展趋势愈加显著。
风能是一种广泛使用的可再生能源，由于其环保、可再生、稳定等特点，逐渐成为能源行业的重要组成部分。
风力发电机作为风力发电的核心设备，其稳定性对发电系统的运行和发电效率起着重要作用。
因此，对风力发电机组的稳定性进行深入研究，具有重要的现实意义和发展前景。
第二章风力发电机工作原理风力发电机是通过将风能转化为机械能输出，再通过传动装置将机械能转化为电能输出。
风力发电机主要由叶轮、主轴、传动器、功率转换器和控制器等组成。
当风通过叶片时，叶片会受到风压力的作用，因而发生转动，通过传动器将机械能传递给发电机组，发电机组将机械能转化为电能输出，电能可以被直接使用或者储存。
第三章风力发电机组稳定性问题风力发电机的稳定性主要包括机械振动稳定性和电力系统稳定性两个方面。
机械振动稳定性是指风力机在风场中的叶轮振动、机架振动、塔筒振动、传动装置振动和发电机装置振动等，如产生共振等不稳定现象，会影响风力机的正常运行和使用寿命。
电力系统稳定性是指发电系统的电压和频率等电学参数的稳定性，如在风场中发生电力系统故障，会影响电力输出，对电网系统也会造成影响。
第四章风力发电机组稳定性分析风力发电机组稳定性分析主要包括静态分析和动态分析两个方面。
静态分析是指对风力发电机组的结构稳定性以及机械性能进行分析和评估，主要涉及到叶片结构、机架结构、传动装置以及发电机组等的设计。
动态分析是指对风力发电机组的动力学特性以及电力系统特性进行分析和评估，主要涉及到风场特性、机械振动特性以及电力输出特性等。
第五章风力发电机组稳定性优化研究风力发电机组稳定性优化研究主要包括结构优化、控制优化以及电力系统优化三个方面。
结构优化是指通过优化叶片结构、机架结构、传动装置以及发电机组等的设计，提高风力发电机组的稳定性和使用寿命。
控制优化是指通过改变风电场下的电机控制方式，使风力发电机组的转速和功率输出更加平稳和稳定。
风力发电系统稳定性研究与分析
风力发电系统稳定性研究与分析摘要：现如今，科学技术不断地创新和实践，人们对风力发电的需求逐渐增加，其应用也越来越广泛，经过几千年的发展，已经改变了传统的发电模式，风力发电已成为一种最好的模式。
但是相应的风力发电技术也应该同步提高，以提供更好的技术支持，在我国已经具备风力发电的环境，随着技术的不断发展，我国的风力发电得到了快速发展，逐渐推动者世界的发展。
关键词：风力发电；系统稳定性；研究；分析引言近年来，风力发电系统已得到广泛应用。
但由于受到风向、风速及一些外界不稳定因素的影响，风力发电系统存在发电不稳定、设备寿命缩减等缺点，极大地影响了电能质量。
1风力发电技术的基本发电原理风力发电主要把风能转化为机械能为基础发电的，而后在将转化而来的机械能变成电力动能。
在实际工作过程中，风力将风车扇叶带动旋转，旋转的过程中利用增速机加快扇叶的旋转速度，从而有效的促使发电机进行发电。
而在风力发电过程中所使用的设备装置统一称为风力发电机组，而此发电机组又可以细致划分为风轮、发电机和塔架三个部分。
其中把风能转化为机械能最主要依靠的就是风轮装置，主要由两片或两片以上的螺旋桨形状的桨叶构成。
当桨叶受到风的作用时，在桨叶上产生气动力来促使风轮的转动。
为了确保风轮在工作过程中始终对准风向以获得最大的功率，在实际使用的过程中需要在风轮后安装一个类似于风向标的尾舵。
风力发电机的塔架就是一个支撑整个风轮、尾舵和发电机的构架。
在设置铁塔的高度时，需要对实际环境中地面障碍物对风速的影响情况和扇叶实际直径的大小进行综合考量，以确保设置塔架的高度符合风力发电机实际工作的要求。
发电机最主要的作用就是在风轮受到风的作用而产生恒定转速之后，再由升速机将其传递给发电机匀速运转，最终由发电机将机械能转变为电能。
一般小型的风力发电系统都具有较高的发电效率，但是这类发电机不仅只是由一个发电机头构成，是一个具备一定科技水平的系统，系统内包括发电机和变流器。
风电机组运行稳定性分析
风电机组运行稳定性分析摘要:风电场风电机组的运行稳定受多重因素影响，回路保护是否有效、维修调试是否专业、风电机组安全等级是否合规等，都会影响其运行稳定性。
风电机组安全性是影响其稳定性的最核心指标，本文对风电机组安全运行稳定性提升的策略，进行了分析。
关键词：风电机组；运行稳定性；影响因素；0引言稳定性是确保系统安全的关键，风电机组的稳定运行需要满足动态特性要求，且拥有一定的抗干扰能力。
稳定性提升，能确保风电机组运行过程中动态效应效率提高，减少由此引发的设备故障，例如参数设置科学与否、荷载水平合规与否，都会对机组构件疲劳度产生影响，并影响系统稳定性。
1风电机组的概念根据组网类型差异，可将风电机组分为变速恒频风力发电机组和恒速恒频风力发电机组两种。
恒速恒频风力发电机组起步早且技术成熟，风电技术发展初期该系统被大量投产使用，其对风力要求较高，需保持转速与风速水平相协调，该系统风能利用效率相对不足。
随着现代技术的发展，大容量电子电路技术不断革新，变速恒频风电机组的出现使风能使用效率显著提升，并逐步取代了恒速恒频风电机组成为风电系统的核心。
变速恒频发电机组的核心在于变频装置，通过对风速水平的识别进行转速调整，从而增加了对风能的利用率。
现阶段，大型风电场应用的变速恒频机组包括多极永磁直驱式风力发电机组和多级齿轮箱双馈感应风力发电机组，前者未配备齿轮箱减少了二次传导导致的设备故障，使传动效率显著提升，但对变频器的质量要求较高。
整体而言，相比于恒速恒频机组，变速恒频机组的灵活性更高，风能利用率更好，系统稳定性更佳且操作更便捷。
2影响风电机组运行稳定性的因素2.1绝缘性能风电设备绝缘性会影响风电机组运行稳定性，系统线路间绝缘性能差，风电机组长期运行的过程中线路易被击穿，热击穿、化学击穿作用对设备安全产生损害，同时威胁风电机组的正常运行。
绝缘性能不佳，绝缘性能不好，电压比超过临界值，发电机组会直接损坏，增加经济负担，影响系统运行，并增加火灾风险。
风力发电系统并网与稳定性分析
风力发电系统并网与稳定性分析引言随着对可再生能源的需求越来越大，风力发电逐渐成为一种广泛应用的清洁能源技术。
风力发电系统的并网与稳定性是保障其可靠运行的重要因素。
本文将对风力发电系统的并网过程以及稳定性分析进行探讨。
一、风力发电系统的并网过程1. 风力发电系统的组成风力发电系统主要由风力机、变台、变流器、电网等组成。
其中风力机负责将风能转换为机械能，并通过变台将机械能转换为电能，再通过变流器将电能转化为适应电网要求的交流电。
2. 并网条件与要求风力发电系统的并网需要满足一定的条件与要求。
首先，电网的频率、电压和相位应与风力发电系统相匹配，以确保电能能够顺利输送。
此外，与电网的连接点需要符合一定的容量和技术要求，以确保正常运行。
3. 并网过程风力发电系统并网的过程大致分为三个阶段：准备阶段、同步阶段和投入运行阶段。
在准备阶段，风力发电系统与电网进行初步连接，并进行必要的测试和校验。
在同步阶段，风力发电系统需要与电网进行频率、电压和相位的同步。
最后，在投入运行阶段，风力发电系统与电网正式实现互联互通。
二、风力发电系统稳定性分析1. 稳定性定义与指标风力发电系统的稳定性是指系统在面对外部扰动时维持某种稳定的状态的能力。
常见的稳定性指标包括频率稳定性、电压稳定性和功率稳定性。
2. 风力发电系统的稳定性问题风力发电系统的稳定性问题主要包括频率波动、电压波动和功率波动。
由于风力发电的不稳定性，电网会受到风速的影响而频繁波动，给电网的稳定性带来一定的挑战。
3. 稳定性分析方法稳定性分析是评估风力发电系统是否满足电网的要求的重要手段。
常见的稳定性分析方法包括灵敏度分析、模态分析和动态过程仿真等。
通过这些方法，可以对风力发电系统的稳定性进行量化评估，并找出其不稳定的原因和解决途径。
4. 提升风力发电系统稳定性的措施为了提升风力发电系统的稳定性，可以采取一系列措施。
首先，提升风力发电机组的控制策略，使其更好地适应电网需求，降低频率和电压波动。
风力发电场电力系统的稳定性分析和优化
风力发电场电力系统的稳定性分析和优化近年来，随着环保理念的逐渐普及，风力发电已成为世界各国广泛采用的一种新型清洁能源。
然而，风力发电场电力系统的稳定性一直是一个问题。
本文将从发电机转速、功率输出、电网接口、控制系统等角度分析风电场电力系统的稳定性，并提出优化方案。
一、发电机转速发电机转速是保证风力发电机组输出稳定的重要因素。
而风力发电场中，风速的变化可能会导致风力发电机组的转速不稳定，对输出功率的稳定性造成影响。
因此，风力发电机组必须具备良好的转速控制系统以维持稳定转速。
这可以通过设置合理的转速控制策略来实现，如采用PID控制器，通过对控制参数的优化，使得发电机转速能够得到更好的调节，从而保证输出功率的稳定。
二、功率输出风力发电机的功率输出直接影响系统的稳定性。
风力发电机组的稳定功率输出需要考虑多个因素，如发电机转速、叶片角度、气压、温度等。
因此，针对这些影响因素，必须通过系统的控制策略来实现功率输出的稳定。
可以采用根据风速变化自动调整叶片角度的机械控制策略或者电气控制策略来实现。
三、电网接口风力发电机组与电网连接的接口也是影响系统稳定性的重要因素之一。
如果电网的负载变化比较大，将导致风力发电机组的输出功率也发生变化，从而降低了系统的稳定性。
为了解决这个问题，可以采用提高电网接口的质量，运用电气控制器等设备来协调电网负载与风力发电机组输出功率之间的关系。
四、控制系统风力发电机组的控制系统是保障系统稳定性的基础。
自动控制系统必须在稳态、暂态和动态等不同工况下保障功率输出质量，同时还需要满足调度信号的要求，以实现电网与电力系统的双向传输。
在设计控制系统时，应该考虑到风倾斜因素的影响，结合风速预测、发电机组特性曲线等因素，进行预测和优化控制。
综上所述，风力发电场电力系统的稳定性需要从多个方面进行优化。
对于发电机转速、功率输出、电网接口和控制系统等问题，不断完善和优化，才可以保证风力发电场电力系统稳定输出，达到可持续发展的目标。
风能发电系统的稳定性分析与控制
风能发电系统的稳定性分析与控制随着能源消费量逐年增加，石油、煤炭等传统能源资源越来越稀缺，环保问题也日益突出。
因此，风能、太阳能等新能源得到了越来越广泛的关注和应用。
其中，风能发电系统作为一种完全可再生的新型能源，具有非常广阔的应用前景，已经成为一种可以替代传统能源的新型发电方式。
但是，由于风能发电的过程存在一些不确定性，因此，如何保证风能发电系统的稳定性成为了一个急需解决的问题。
一、风能发电系统风能发电是指通过使用风能，将其转化为机械能，进而通过发电机转化为电能供应给国家电网，从而实现发电的过程。
其中，最常用的风能发电手段是通过利用风轮机工作原理产生机械能，进而转化为电能供应给国家电网。
风轮机主要由四个部分构成，即叶片、机架、齿轮箱和发电机组。
其中，叶片是风能转化为机械能的主要部件，机架是将叶片支撑在空气中的部件，齿轮箱将叶轮的旋转通过转速放大器传向发电机组，发电机组将旋转的机械能转化为电能，供应给国家电网。
一般来说，风能发电系统可以分为无功控制和有功控制两种。
无功控制主要是通过控制切入和切出风机的风速来保持电压的稳定，从而防止电压过高或过低，保障电网的稳定性。
有功控制则是通过控制风机的切片角度和发电机的转速来调节风能的利用率，以达到稳定发电的目的。
二、稳定性分析在实际的风能发电过程中，存在一些不稳定因素，这就需要进行稳定性分析，保证风能发电系统的稳定。
稳定性分析主要包括两个方面，即机械部件的稳定性分析和电气部分的稳定性分析。
1. 机械部件的稳定性分析机械部件的稳定性分析是指通过对风能发电系统内部各个部件的运动状态进行监测，并对其性能进行评估，从而判断风能发电系统内部的机械部件是否稳定。
风轮机的转速是机械部件的重要指标之一，直接影响系统输出功率。
在不同工况下，给定的转速应该保证既能满足功率需求，又能确保风轮机的安全性和稳定性。
2. 电气部分的稳定性分析电气部分的稳定性分析主要是为了保证电网的安全稳定运行。
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风力机叶片模态分析及稳定性分析
来源：中国玻璃钢综合信息网
近年来,“能源危机”越来越引起人们的重视,能源短缺使得可再生能源得到空前发展。
风能作为取之不尽用之不竭的可再生能源在近几年得到了迅速发展,世界上不少国家都把开发利用风能作为一项能源政策。
风机叶片是风力机的关键部件之一,目前大型风机叶片的材料主要是轻质高强、耐腐蚀性好、具有可设计性的复合材料,由于叶片采用复合材料铺层设计，结构异常复杂,单纯的经典理论解析计算已难以精确计算出叶片的强度和刚度,为此需要进行有限元的仿真模拟。
本文采用ANSYS的参数化语言APDL直接建模,然后赋材料属性、划分网格,进行叶片模态分析,较好地模拟了叶片的真实结构,计算了叶片在自由状态下的固有频率和在20RPM下的预应力频率。
最后加载极限载荷校核了叶片各截面稳定性。
1叶片模型的建立
1.1建立几何模型
叶片截面的翼型数据通过CA TIA导出,结合弦长和扭转角计算出实际叶片截面的坐标。
在AN-SYS的程序中形成如下格式:
k,,838.309405,-83.92648,0
k,,771.63901,-338.19972,0
根据1MW叶片翼型的特点,将叶片分为45个截面,每个截面上有86个关键点。
通过Bspline命令将每个翼型上的关键点连成18条曲线,然后将叶片翼型上的曲线通过纵向直线连接。
最后通过Askin命令建立曲面,每两个翼型截面之间就有18个曲面,建完所有曲面就生成了叶片蒙皮的几何模型。
如图1(a)所示,再布置上主梁、腹板,形成整体叶片的几何模型。
1.2建立有限元模型
在单元类型的选择上,根据叶片特点,主要采用shell91和shell99单元,其中shell91单元用于模拟夹芯结构。
在定义材料性能参数时,主要采用定义实常数的方式来模拟材料的性能、铺层角和铺层厚度。
之后选择合适的单元尺寸进行网格划分,最终形成叶片的有限元模型。
该模型共有21295个节点,共划分了7414个高精度的壳单元。
如图1(b)所示。
2模态分析
2.1理论依据
通用运动方程为:
[M]{u..}+[C]{u.}+[K]{u}={F(t)}(1)
假定自由振动并忽略阻尼,则:
[M]{u..}+[K]{u}=0(2)
其中,[M]、[K]分别为叶片的质量和刚度矩阵;{u}为节点位移向量。
式(2)的解为如下简谐运动:
{u}={U}sinωt(3)
式中,{U}为模态形状(无量纲位移);ω为圆频率。
式(3)代入式(2)得:
([K]-ω2[M]){U}={0}(4)
方程(4)中{U}要有非0解,系数行列式为0,得:
det([K]-λ[M])=0(5)
其中,λ=ω2,上述行列式为λ的多项式,有根λ1,λ2,…,λn。
代入λi得方程:
([K]-λi[M]){Ui}={0},i=1,2,…,n(6)
可以求得{Ui},即模态。
fi=ωi/2π为系统固有频率
2.2计算结果
2.2.1无预应力自然模态分析
2.2.2预应力模态分析
假设叶片在20RPM的转速下工作,计算此时叶片的前10阶模态,见表1。
2.2.3小结
通过对1MW叶片模态计算,结论如下:
(1)第一阶振动形式主要为挥舞,第二阶振动形式主要为摆振,这说明弯曲振动(包括挥舞
和摆振)频率较低,是风力机叶片的主要振动形式。
叶片最低阶固有频率f1=0·987Hz=59·22rpm,远大于叶片启动和正常工作转速(12~21·5rpm),因此启动过程与正常工作时叶片不会出现共振现象;
(2)从前10阶模态计算结果可见,前5阶模态都为弯曲振动,仅第6阶和第10阶出现扭转振动,说明叶片抗扭转振动的能力较强;
(3)风力机叶片在额定转速时的模态频率比静止时的固有频率要高,这是因为离心力引起动力刚化,从而导致叶片的模态频率增加。
3稳定性分析
3.1理论依据
屈曲稳定性分析是在结构的线性刚度矩阵中引入微分刚度的影响。
微分刚度是从应变-位移关系式中的高阶项导出的。
设结构线性刚度矩阵为[Ka],考虑应变-位移的高阶非线性项的微分刚度矩阵为[Kd],一般[Kd]与所施加载荷Pa成比例,即:
[Kd]=Pa[-Kd](7)
则结构的总刚度矩阵为:
[K]=[Ka]+[Kd](8)
总应变能为:
U=12{X}T[Ka]{X}+12{X}T[Kd]{X}(9)
其中,{X}为各节点的位移向量。
为使系统达到静力平衡,总应变能必须有一个驻值,即:
UX=[Ka]{X}+[Kd]{X}={0}(10)
将方程(7)代入方程(10)可得:
[Ka]+Pa[-Kd]){X}={0}(11)
为使方程(11)有非0解,则方程(11)的系数行列式为0,因此:
det([Ka]+Pa[-Kd])=0(12)
方程(12)只有对特定的Pa才成立,这样的Pa称为临界屈曲载荷Pcr,记:λi=PcriP(13)
则方程(12)可以表示为:
det([Ka]+λi[-Kd])=0(14)
可见,求解屈曲临界载荷Pcri转化为求解特征值问题即式(14),所求屈曲临界载荷为:
Pcr=min(λi)Pa(15)
min(λi)为失稳临界特征值,又称为失稳屈曲因子,为失稳临界载荷与设计载荷之比。
3.2计算结果
3.3小结
分析表明:
(1)载荷为Mx(min)极限载荷的1.01倍时,在4m截面处首先出现失稳
(2)载荷为Mx(max)极限载荷的1.34倍时,在4m截面处首先出现失稳;
(3)载荷为My(min)极限载荷的1.25倍时,在4.5m截面处首先出现失稳;
(4)载荷为My(max)极限载荷的1.11倍时,在4.5m截面处首先出现失稳;
(5)在My(max),My(min),Mx(max),Mx(min)四种工况下屈曲因子都大于1,说明这时在给定的安全系数和设计载荷下,结构不会失稳。
4结论
本文主要介绍通过ANSYS建模技术对叶片进行有限元分析。
通过采用ANSYS参数化语言APDL建立风力机叶片的几何模型,通过实常数赋值来实现对叶片铺层的模拟,较为真实
地模拟了叶片的实际结构。
在剖分网格、建立叶片有限元模型之后,对叶片进行无预应力模态分析和预应力模态分析,计算得出了叶片前10阶的频率,分析得出叶片在启动和正常工作时不会出现共振。
最后分析了叶片在极限载荷下的整体稳定性,计算表明,在My(max),My(min),Mx(max),Mx(min)四种工况下屈曲因子都大于1,说明结构稳定,不会发生失稳。
(赵娜,李军向,李成良)。