振動以及氣動彈性不穩(wěn)定性與葉片的氣動參數(shù)和葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。在設(shè)計時首先要對葉片、風(fēng)輪、變槳距機構(gòu)等結(jié)構(gòu)件的固有特性進(jìn)行分析,合理選用這些部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過調(diào)整葉片的氣動參數(shù)和改變剛度,調(diào)節(jié)葉片揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)頻率,調(diào)節(jié)可能產(chǎn)生自激振動和動力響應(yīng)的關(guān)聯(lián)部件的頻率,使它們相互間的頻率錯開,并且避開風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率。
5.2 風(fēng)力機有害振動的成因
常觀察到小型風(fēng)力發(fā)電機在運行中出現(xiàn)程度不同的振動,因此運行使用壽命暫短;常見在12 ~ 18m/s 風(fēng)速下風(fēng)力機劇烈振動,運行極不穩(wěn)定;在18 ~ 25m/s 風(fēng)速下風(fēng)力機失控,風(fēng)輪超轉(zhuǎn)速、整機顫振,尾舵斷裂脫落葉片飛逸、機頭落地的重大事故時有發(fā)生。究其原因主要有:
(1)大風(fēng)下,非均勻氣流包括風(fēng)剪、陣風(fēng)、湍流和斜流,首先給風(fēng)輪施加了強勁的交變風(fēng)載荷,在交變載荷作用下葉片會變形和振動;振動還會傳遞到傳動系統(tǒng)、支撐機構(gòu)、塔架及尾舵等部件產(chǎn)生動力響應(yīng)。
(2)葉片制造、風(fēng)輪裝配過程產(chǎn)品質(zhì)量控制不嚴(yán),存在氣動力、質(zhì)量慣性力不平衡。風(fēng)輪的平衡(包括質(zhì)量慣性力平衡以及氣動力平衡)未達(dá)到安全、合理的標(biāo)準(zhǔn);
(3)風(fēng)力機結(jié)構(gòu)設(shè)計欠合理, 功能設(shè)計不完善,缺少必要的自動安全保護(hù)機構(gòu),不具備大風(fēng)下安全運行的條件。
(4)風(fēng)輪偏離風(fēng)向調(diào)(限)速、尾舵調(diào)向方式的風(fēng)力機,若在塔頂回轉(zhuǎn)機構(gòu)上又無限制角速度的阻尼裝置,它在大風(fēng)下的運行條件是非常惡劣的,發(fā)生重大事故者多是此類型的風(fēng)力機組。
(5)風(fēng)力機設(shè)計時對葉片的動力學(xué)特性、系統(tǒng)的振動和穩(wěn)定性問題缺乏分析、解析、試驗和檢測;未采取必要的技術(shù)措施避免有害振動,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(6)風(fēng)力機安裝地點存在嚴(yán)重的湍流,氣流極不穩(wěn)定。
5.3 消除風(fēng)力機有害振動的幾項技術(shù)措施
(1)分析、計算(葉片固有頻率考慮靜止和運行)或測定葉片在揮舞,擺振和扭轉(zhuǎn)方向的一階、二階固有頻率,使其在運行中避開額定以及附近轉(zhuǎn)速的激振頻旋轉(zhuǎn)率風(fēng)輪。葉片在設(shè)計制造中可以通過調(diào)整葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和剛度改變它的頻率,使其與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率的偏差值大于±10% 。對剛性塔架,固有頻率要比風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率高出20%以上;對柔性塔架,固有頻率要比風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)頻率低30% 以上。對于采用風(fēng)輪偏離風(fēng)向調(diào)(限)速、尾舵調(diào)向方式的風(fēng)力機若要減少或避免動力響應(yīng),確保風(fēng)力機系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需避開機艙、回轉(zhuǎn)體和尾舵的固有振動頻率。