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1引言

风力发电作为21世纪的清洁能源之一，具有绿色无污染、可持续利用、技术最为成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景等优点，已成为当今世界上最受关注的可再生能源。风力发电机的叶片是风力机组的核心部件，其振动特性对风机的动态载荷分布、可靠性以及辐射噪声等都有重要的影响。

风机叶片

振动模态参数是叶片重要的特性，而不同结构的叶片其固有频率是不同的。当叶片的固有频率等于载荷的旋转频率时，叶片将发生共振，引起较大的振动响应。若叶片长时间处于这种振动环境中，可能会导致叶片疲劳损伤甚至断裂，进而引发严重的安全隐患及巨大的经济损失。因此，在设计过程中，避免共振情况的发生至关重要。通过分析叶片低阶模态振动与固有频率，能够为风机叶片设计提供重要的技术依据。

目前，研究叶片振动性能的常用方法是基于模态分析手段获取其固有属性。通过对振动信号的分析、计算，可以识别叶片的固有频率、振型和阻尼比等模态参数。模态试验与分析技术可分为三类试验：模态分析（EMA）、工作模态分析（OMA）及计算模态（有限元仿真）。其中试验模态分析按激励方式又可分为激振器激励和力锤激励，适用于结构输入输出可测情况下的模态测试分析；OMA采用自然激励、环境激励，适用于大型复杂结构在运行状态或者输入不可测但输出可测情况下的模态测试分析。由于风机叶片的质量大，固有频率低，且设计一阶挥舞频率低于1Hz，在工作状态下无法使用人工进行激励，因此大多选用不测力法，即工作模态分析（OMA）对其进行模态测试和参数识别。

2 风机叶片固有频率测试案例

为了避免风机叶片在运行过程中发生结构共振问题，根据IEC 61400及我国机械行业标准JBT 10194-2000，需要明确测试其挥舞和摆振方向前三阶模态参数、以及扭转一阶模态参数。日前，东方风电集团使用汉航Hunter H18硬件及NTS.LAB软件对其风机叶片进行测试，以获取叶片的基本模态参数，为后续的产品设计升级提供理论基础及数据支撑。

首先，需要说明叶片方向的常规定义：沿着叶片长度方向为轴向，沿叶片宽度方向为摆振方向，叶片宽度平面的法向为挥舞法向，本次试验主要测试叶片的摆振方向和挥舞方向的模态参数。

风机叶片方向定义

2.1测试过程

在风机工作过程中，基于工作模态分析，测试其中一个叶片的模态参数，具体如下：本次试验粘贴16个三向传感器，分两批测试：a）首先测试摆振方向模态；b）然后测试挥舞方向的模态参数。16个传感器布置在叶片宽度方向的截面上，由于实际安装条件受限，将传感器尽量安装靠近叶尖的位置，以此提高振动信号的信噪比。

传感器粘贴在叶片内部

NTS.LAB DSA几何建模：与实际传感器粘贴对应

由于需要采集叶片运行过程中的振动响应数据（叶片在不同转速的工作模式），因此在试验过程中，将汉航H18便携式硬件固定在叶片上，用于叶片运行振动信号的实时采集。

汉航Hunter H18 16通道数据采集系统

测试过程中，首先在汉航NTS.LAB DSA软件中建立叶片的几何模型，并设置几何测点对应的振动信号，采样频率设置为256Hz，足够覆盖叶片的关心的模态频率，工况振动数据采集约为60min，测试流程示意图如下。

汉航NTS.LAB工作模态测试系统流程图

2.2结果分析

基于采集的工况振动响应数据，导入到汉航NTS.LAB OMA工作模态分析模块，经过计算得到各阶的模态参数，并与有限元计算模态对比，如下表所示。

表1 试验模态与计算模态(有限元结果)对比

挥舞及扭转的各阶振型

摆振方向的各阶振型

从试验结果可以发现，采集叶片工况下的振动数据，基于NTS.LAB OMA工作模态分析平台，可以计算出挥舞、摆振方向的模态参数。利用试验结果与有限元结果对比，低阶挥舞和摆振方向与有限元结果都符合的很好，说明叶片的有限元模型是合理的，可以用作后续的分析共振。

3总结

风机叶片工作模态特性试验是在叶片工作的情况下测量其模态参数，即通过运行状态下的响应测试来确定模态模型（只观测系统输出的模态分析），代表实际工况的模态模型、真实边界条件、真实激励、振动水平和频率范围。它不仅能够帮助设计师优化叶片的结构性能，避免共振和疲劳损伤，还能提高运行效率、降低噪声，并为故障诊断提供重要依据。通过模态分析，可以确保风机叶片在复杂工况下的可靠性和安全性，为风力发电的可持续发展提供有力保障。

汉航NTS.LAB OMA工作模态测试分析模块支持多种高精度模态参数识别分析算法，如正（半）功率谱密度函数识别方法、增强频域分解法（EFDD）、复合频域分解法（FFDD）等方法，保证获得可靠的模态测试结果，为大型结构的工作模态参数识提供可靠的试验结果，帮助工程师对叶片的结构设计、故障诊断提供参考方向。