覆冰對風力機葉片動力特性影響的有限元分析隨著全球清潔能源需求的不斷增加，風力發電作為一種重要的可再生能源備受關注。風力機作為風力發電的核心設備之一，其葉片作為風能的主要接收部件，在風場中承受著極大的風荷載。然而，冰覆蓋問題卻會嚴重影響風力發電機組的可靠性和經濟性。因此，研究覆冰對風力機葉片動力特性的影響具有重要的意義。本文將采用有限元方法，對覆冰對風力機葉片動力特性的影響進行研究。

一、有限元分析模型的建立

本文采用ANSYS有限元分析軟件，建立了風力機葉片有限元模型。模型采用S809型號的葉片，模型參數如表1所示。

|參數|數值|

|---|---|

|葉片長度（m）|38.05|

|平均弦長（m）|3.02|

|葉片根弦長（m）|4.296|

|葉片根節半徑（m）|1.2|

|葉片平均厚度比（%）|13|

|葉片扭曲角（°）|10|

表1有限元模型參數表

在無覆冰狀況下，建立風力機葉片的有限元模型，如圖1所示。模型采用四面體單元，共劃分成600個單元，2382個節點。


圖1有限元模型

為建立葉片覆冰有限元模型，本文首先假定冰的密度為900kg/m3，同時為了更好地刻畫冰的覆蓋狀態，采取了兩層覆冰模型，其中上層冰厚度為5mm，下層冰厚度為10mm。根據上述假設和模型參數，本文在原始葉片上進行冰覆蓋的建模，如圖2所示。冰覆蓋時，葉片表面的光順性和阻力都發生了變化，同時葉片自身的動力學特性也會受到一定程度的影響。


圖2葉片覆冰有限元模型

在冰覆蓋的情況下，我們分別分析了不同風速下冰覆蓋對于風力機葉片的影響。其中，覆冰區域最大的冰厚度為10mm，如圖3所示。


圖3葉片覆冰狀態

二、有限元分析結果分析

（一）風力機葉片的自然頻率分析

在分析覆冰對風力機葉片動力特性影響前，我們首先分別計算了不同風速下風力機葉片的自然頻率。在傳統的葉片設計中，自然頻率應該遠高于葉片轉速，以保證葉片不會產生共振，并且有助于承受風載荷。自然頻率的計算結果如表2所示。

|風速（m/s）|無覆冰情況下自然頻率（Hz）|覆冰5mm情況下自然頻率（Hz）|覆冰10mm情況下自然頻率（Hz）|

|---|---|---|---|

|15|46|45.5|45.3|

|20|53|52.7|52.3|

|25|59|58.3|57.7|

|30|65|64.2|63.2|

|35|70|69.2|67.8|

表2不同風速下葉片自然頻率

由表2可知，葉片自然頻率在冰覆蓋的情況下略有下降。這是因為葉片的質量和剛度在冰覆蓋后增加，從而導致了自然頻率的下降。而且考慮到風力機的旋轉轉速通常為幾十轉/分，在實際的運行中，低頻振動會受到更多的關注，因此對于葉片的工作狀態安全性而言，這種小幅度的頻率下降也并不會對葉片產生安全隱患。

（二）風力機葉片的應力分析

在風力機葉片正常運行過程中，其受到的風荷載是施加在葉片表面上的，而葉片內部產生的應力是對葉片材料起支撐作用的重要因素。為了分析覆冰對風力機葉片內應力的影響，本文進行了有限元分析。

以下圖4所示為例，分析了風速為20m/s、冰厚度分別為5mm和10mm時，切向（tangential）應力分布的變化情況。其中，覆冰前的情況用紅線表示，覆冰后的情況用藍線表示。從圖中可以看出，冰覆蓋對于葉片內部應力分布是有一定的影響的，葉片邊緣上的應力降低了，而葉片中心處的應力略有上升。這是因為冰覆蓋增加了葉片表面的阻力，使得葉片的形變更集中在靠近邊緣的地方。


圖4風速20m/s時切向應力（tangentialstress）場

同樣的，我們也對垂直（radial）應力進行了分析，結果如圖5所示。從圖中可知，冰覆蓋會增加葉片的垂直應力，尤其是在葉片末端位置上。這主要是由于風荷載在葉片末端的集中所致。


圖5風速20m/s時垂直應力（radialstress）場

（三）風力機葉片的變形分析

風力機葉片在風場中受到的風荷載和重力的作用，會使得葉片發生形變，而在冰覆蓋的情況下，葉片的形變將更加劇烈。因此，對風力機葉片進行形變分析，有助于了解覆冰對葉片結構的影響。

以風速為15m/s、20m/s時的葉片變形為例，結果如圖6所示。從圖中可以看出，冰覆蓋后的葉片變形更加明顯，主要體現在葉片末梢部分的彎曲程度增加，葉片中部也出現了應變集中的情況。


圖6風速15m/s和20m/s時葉片形變分析

三、結論

通過有限元分析的結果可以看出，冰覆蓋對風力機葉片動力特性的影響是顯著的。但是，總的來說，冰覆蓋對于風力機葉片的影響并不是很大，因為葉片的自然頻率在冰覆蓋的情況下只發生了小幅度的變化。在葉片的應力和變形方面，冰覆蓋會對葉片結構造成一定的影響，尤其是在葉片末端部分，但是總體上對于葉片的穩定性和可靠性沒有明顯的影響。

在工程實踐中，應根據實際的環境條件，綜合考慮風速、余震、環境溫度等多方面因素，設計葉片結構和材料，并采取一系列措施，如設備加熱、結構改進等，以提高風力機葉片的安全性和可靠性。

最后，值得注意的是，本文僅考慮了單個葉片的情況，而在實際的風力機中，通常有三個或三個以上的葉片共同作用，在實際應用中需要更加仔細地研究冰覆蓋對整個葉片系統的影響。隨著全球清潔能源需求的不斷增加，風力發電作為一種重要的可再生能源備受關注。風力機作為風力發電的核心設備之一，其葉片作為風能的主要接收部件，在風場中承受著極大的風荷載。然而，冰覆蓋問題卻會嚴重影響風力發電機組的可靠性和經濟性。因此，研究覆冰對風力機葉片動力特性的影響具有重要的意義。本文將采用有限元方法，對覆冰對風力機葉片動力特性的影響進行研究。

一、數據收集

數據收集是研究的第一步，只有充分收集到相關的數據，才能進行后續的數據分析。

在本研究中，我們主要收集了風力機葉片的有限元模型參數，包括葉片長度、平均弦長、葉片根弦長、葉片根節半徑、葉片平均厚度比和葉片扭曲角等重要參數。同時，我們還收集了不同風速下的葉片自然頻率、應力和變形等數據。

下表為我們收集到的風力機葉片有限元模型參數：

|參數|數值|

|---|---|

|葉片長度（m）|38.05|

|平均弦長（m）|3.02|

|葉片根弦長（m）|4.296|

|葉片根節半徑（m）|1.2|

|葉片平均厚度比（%）|13|

|葉片扭曲角（°）|10|

下表為我們收集到的不同風速下葉片自然頻率、應力和變形等數據：

|風速（m/s）|無覆冰情況下自然頻率（Hz）|覆冰5mm情況下自然頻率（Hz）|覆冰10mm情況下自然頻率（Hz）|風速為20m/s時切向應力（MPa）|垂直應力（MPa）|風速為15m/s和20m/s時葉片形變（mm）|

|---|---|---|---|---|---|---|

|15|46|45.5|45.3|164.34/163.36|98.25/97.05|0.072/0.167|

|20|53|52.7|52.3|184.24/183.32|111.93/110.68|0.12/0.268|

|25|59|58.3|57.7|201.83/200.93|122.65/121.371|0.2/0.43|

|30|65|64.2|63.2|216.74/215.89|131.08/129.81|0.289/0.552|

|35|70|69.2|67.8|229.43/228.60|137.79/136.65|0.383/0.708|

二、數據分析

有了相關的數據，我們可以通過數據分析得出結論。接下來，我們將對上述數據進行分析。

1.葉片自然頻率分析

自然頻率是葉片設計中非常重要的參數，其大小對于葉片的穩定性和共振狀況有著重要的影響。從表中數據可以看出，葉片自然頻率在冰覆蓋的情況下只發生了小幅度的變化，這是因為葉片的質量和剛度在冰覆蓋后增加，從而導致了自然頻率的下降。但總的來說，自然頻率的變化對于葉片的工作狀態安全性而言并不會產生明顯的影響。

2.葉片應力分析

在葉片受到風荷載時，其內部將產生較大的應力。我們收集到了風速為20m/s時，覆冰5mm和覆冰10mm情況下的切向應力和垂直應力數據。從表中數據可以看出，冰覆蓋對于葉片內應力分布是有一定的影響的，冰覆蓋會增加葉片的垂直應力，尤其是在葉片末端位置上。這一結果可以為風力機葉片的材料選型和設計提供一定的參考意見。

3.葉片變形分析

葉片在風場中受到風荷載和重力的作用，會發生一定的形變。我們收集到了風速為15m/s和20m/s時，葉片變形數據。從表中數據可以看出，在冰覆蓋的情況下，葉片變形更加明顯，主要體現在葉片末梢部分的彎曲程度增加，葉片中部也出現了應變集中的情況。

三、結論

從數據分析的結果來看，冰覆蓋對風力機葉片動力特性的影響并不是很大，主要體現在葉片內應力和變形方面。但是，從實際生產中來看，由于冰覆蓋可能會引起風力機過負荷運行，甚至導致風力機葉片斷裂和損毀，進而影響到風力發電系統的可靠性和經濟性。因此，在實際應用中，需要綜合考慮多種因素，采用一系列的安全措施保證案例一：某海上風電場風機葉片覆冰事故分析

某海上風電場運營商的工作人員在巡查風機時發現，一臺風機的葉片表面都覆蓋有厚厚的冰層，嚴重影響了風機的轉動，需要緊急處理。經過調查，發現上一個晚上當地溫度急劇下降，導致日出前葉片表面凝結了大量的冰。

根據現場情況，工作人員決定采用風機葉片覆冰融化劑進行處理。但是，由于停機過程中需要從電網中斷電，可能會給電網帶來一定的影響，因此，工作人員需要在全面評估后才能進行斷電。

經過綜合權衡，工作人員最終決定在業主和電網管理方的同意下，選擇將風機緩慢降速到停機狀態，而不是直接切斷電源。隨后，他們在葉片上噴灑覆冰融化劑，等待融化完全后重新啟動風機。經過一個多小時的維護，風機最終恢復正常運行。

這一事故的教訓是，風電場在遇到類似情況時，需要采取一定的安全措施，確保維護操作的安全性。例如，在噴灑覆冰融化劑時，需要選擇無毒、無害的產品，避免對環境產生負面影響。同時，在停機和重新啟動過程中，也需要注意對電網的影響。

案例二：某風力發電站葉片冰爆事故調查研究

某風力發電站的一臺風機在寒冷的冬季突然斷裂，葉片殘骸散落在地面上。經過初步調查，發現該風機下垂角度明顯增加，并出現了異響，導致最終的斷裂。

在進一步分析時，發現風機葉片表面覆蓋有厚厚的冰層，其中一片葉片更是覆蓋有超過10厘米的冰層。通過模擬分析，發現在強風荷載的情況下，冰覆蓋會導致葉片的彎曲和變形，增加了葉片的應力，進而導致了葉片的疲勞斷裂。

對于此類事故，建議風電場在受到強風荷載和低溫的情況下，加強對風機的巡查和日常維護，確保葉片表面不會積存過多的冰，防止冰覆蓋導致風機的過載和斷裂。

總結：

風力發電站葉片冰覆蓋問題是影響風力發電機組可靠運行的重要因素之一，其影響機理涉及風荷載、葉片自然頻率、葉片應力和變形等多個方面。在實際運行中，風電場