风⼒发电机叶⽚颤振概述
风⼒发电机叶⽚颤振产⽣机理
⼤型风⼒机是⼀个复杂的流-固耦合系统，细⽽长的叶⽚具有⽆穷多个弯曲和扭转振动模态，随机流动的空⽓作⽤在叶⽚上，除了产⽣空⽓动⼒带动风轮旋转，还会使风机产⽣⽓动弹性问题，包括静态发散现象、颤振问题、风轮与塔架耦合稳定性问题等。
风⼒发电机叶⽚颤振是不稳定的⾃激振动，当叶⽚在流场作⽤下产⽣变形或运动，⽽叶⽚的变形或运动反过来⼜影响流场，从⽽改变流体在叶⽚表⾯上的载荷⼤⼩和分布。
叶⽚在⽓动⼒、重⼒和离⼼⼒作⽤下，其主要振动形式有：
挥舞，是指叶⽚在垂直于旋转平⾯⽅向上的弯曲振动;
摆振，是指叶⽚在旋转平⾯内的弯曲振动;
扭转，是指叶⽚绕其变距轴的扭转振动。
这三种机械振动和⽓动⼒交织作⽤，形成⽓动弹性问题。如果这种相互作⽤是减弱的，则振动稳定，否则会出现颤振和发散。颤振⼜称为“⽓动弹性不稳定”。
⽓动弹性稳定性问题主要分成两类：
第⼀类是⽓动弹性静态不稳定问题，称为发散问题，这类问题可以通过分析叶型的升⼒阻⼒曲线和叶⽚的扭转弹性⼒来进⾏研究，分析起来较为简单，已经得到较好的解决。
第⼆类是⽓动弹性动态不稳定性问题，也就是颤振问题，这类问题是⽬前的研究重点，是桨叶在⽓动⼒影响下，产⽣⼀系列⼤幅值振荡或具有发散特性的挠曲。它可使飞⾏器结构、风机叶⽚破坏，建筑物和桥梁倒塌。
就空⽓动⼒学⽅⾯产⽣的原因⽽⾔，风⼒发电机叶⽚颤振问题可分为两类：
第⼀类颤振问题与⽓流分离和旋涡形成有关。这类颤振现象是风⼒机的升⼒系统处于失速攻⾓附近所产⽣的⽓动弹性失稳现象。这类颤振还会出现在具有⾮流线型剖⾯的⾼层钢结构建筑及某些⾼速旋转机械上。这类颤振有时称之为“驰振(galloping)”或“失速颤振 (stall flutter)”。
第⼆类颤振由于发⽣在势流中，因此⽓流分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响。这类颤振是风机叶⽚扭转和挥舞产⽣的⾃激不稳定振动，其基本特点是流动基本附着⽆明显分离。它发⽣的条件是结构上的瞬时流体动⼒与弹性位移之间有相位差，因⽽使振动的结构有可能从⽓(或液)流中吸收能量⽽扩⼤振幅。这类颤振主要发⽣在航空航天飞⾏器结构的流线型剖⾯升⼒系统中，通常称为“经典颤振”。
影响风机叶⽚颤振的因素很多，主要包括风轮叶⽚的结构动⼒参数、来流特性和风轮叶⽚所受的⽓动⼒。
国内外风⼒发电机叶⽚颤振研究现状
颤振分析⼀般涉及弹性叶⽚的复杂结构特征与叶⽚周围⾮定常⽓流场特征的描述以及⼆者之间相互耦合机理的分析，因此，叶⽚颤振边界的预测和颤振特性的分析是⼀项⾮常困难的⼯作。
我国对风机叶⽚颤振抑制技术的研究始于20世纪80年代，宋兆泓对内蒙牧民⽤的50W双叶风⼒发电机叶⽚振动故障进⾏分析，确认其故障原因是流体诱发的颤振引起的。为了排除故障，主要从防颤⽅⾯着⼿，提⾼叶⽚固有频率，改进重扭⼼位置和提⾼成型的⼯艺质量要求，设计了两种防颤的新叶型，即FD-01 型与FD-02型，并进⾏了野外车载试验，证实了新型叶⽚防颤效果良好。因此在叶⽚设计中可通过适当调整结构的质量和刚度分布，改变固有频率或限定风机的转速，使叶⽚的固有频率避开系统的耦合振动时的频率的⽅法来预防颤振的发⽣。
风⼒发电机在运⾏中，叶⽚的旋转会使其固有频率略有改变，⽽且叶⽚在颤振时的固有频率是系统的耦合振动的频率。但是⼀般情况下，系统的耦合振动的频率同静⽌状态下单个叶⽚的⾃由振动频率很接近，所以单个叶⽚的动⼒学分析及设计具有很重要的意义。当叶⽚的固有频率与激振⼒的频率相同时就会发⽣共振，由于惯性不平衡⼒⽽引起的激振很难完全避免，因此在设计中可以改变叶⽚局部或
全局结构的刚度等使振动尽可能减⼩，特别是要避免发⽣颤振。
完全避免，因此在设计中可以改变叶⽚局部或全局结构的刚度等使振动尽可能减⼩，特别是要避免发⽣颤振。
seifert在国外20世纪90年代引⼊射流达到减振效果的⽅法被提出，通过在叶⽚周围流场加⼊适当的⼲扰来抑制分离流动的发展，推迟叶⽚失速发⽣，达到降低叶⽚振动的⽬的。引⼊射流的⽅法有结构简单、响应迅速、控制⽅便等优点，是⼀种⽐较流⾏的⼲扰⽅法。Seifert等在引⼊射流控制叶⽚振动⽅⾯进⾏了⼀系列的试验，并证明引⼊适量射流可以推迟失速的发⽣⾓度。⾦琰在S806风⼒机翼型背部部分引⼊射流的减振技术，采⽤流固耦合的数值计算⽅法研究了其在⼤攻⾓(15°-50°)范围的颤振，结果表明了在翼型背部引⼊射流会降低振动，并基本上不影响翼型的升⼒系数。
除以上两种⽅法，国内外学者对风⼒机叶⽚⽓动弹性问题以及其颤振抑制技术上的研究不胜枚举。
1. Lbitz D W基于叶⽚的弹性FEM⽅程和⾮定常⽓动⼒模型研究经典颤振特性，但是仅限于静⽌风速下的旋转叶⽚;
2. Chaviaropoulos P基于叶⽚ FEM ⽅程研究挥舞 - 摆振叶⽚的颤振⾏为，重点研究的是挥舞 - 摆阵叶⽚的动⼒失速特性;
3. 李林凌对风机叶⽚及周围⽓体进⾏有限元分析推导出了风机叶⽚与周围⽓体耦合微分⽅程模型，利⽤模态分析理论对风机叶⽚颤振、噪声辐射等情况进⾏分析，研究风机叶⽚与周围流体耦合对叶⽚颤振、声辐射的影响，得到风机叶⽚耦合频率特性规律;
4. 黎少辉利⽤流固耦合特性，探讨了⽓动⼒脉动和风机叶⽚结构之间的关系，寻失速颤振的频率，有利于探明失速颤振的机理;
5. 杨树莲介绍了智能材料⽤于飞⾏器叶⽚结构的颤振主动抑制例⼦及其效果分析，并提出了智能材料作为驱动器埋⼊复合材料桨叶结构，做成智能夹层在⼤型风⼒机叶⽚结构颤振主动控制应⽤中的发展⽅向;
6. 刘虎平研究了风⼒发电机叶⽚典型剖⾯模型，本模型可以简单、经济和快捷地获得失速颤振特性的主要结构和⽓动影响参数，是验证叶⽚挥舞/摆阵⽓动弹性稳定性常⽤的⼀种有效的结构模型。通过该模型刘虎平研究了风⼒机叶⽚的弯扭耦合颤振问题，建⽴了叶型颤振模型及其运动微分⽅程，得出了叶⽚颤振的稳定性判据，验证了研究风⼒机叶⽚⽓动弹性动稳定性的关键⼯作在于确定⽓动阻尼矩阵和⽓动刚度矩阵，并采⽤龙格-库塔⽅法分别求解了5种不同风速时风⼒机叶⽚运动微分⽅程，通过叶⽚运动规律的变化趋势，证明了其叶⽚⽓动弹性稳定性分析⽅法的正确性和有效性;
7. 梁明轩根据叶⽚翼型数据，采⽤曲线拟合的⽅法建⽴了叶⽚的三维模型，⽤有限元软件 ANSYS 模
拟风流场，通过对叶⽚模态分析，得到叶⽚各阶模态，发现叶⽚振动主要有扭转、挥舞、摆振，以及三者之间的耦合。对于叶⽚⽓动弹性问题进⾏研究，建⽴叶⽚颤振⽅程，确定叶⽚颤振发散条件。

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