风电机组大型化已成为世界趋势，目前已知最长的叶片长度已经达到120米。研究表明，大型风力发电机特殊的结构和非定常气动特性会引起空气动力学、结构动力学和惯性力之间发生复杂的交互作用，即气动弹性。在这一领域，大多数研究人员关注空气动力和结构力之间的相互作用，而惯性力与结构的相互作用则很少被研究。众所周知，与静止叶片相比，惯性离心力会增加旋转叶片的固有频率，即动力刚化效应。由于未来风电机组叶片的大变形和大尺寸，惯性离心力将变得更加显著和复杂，这对于风电机组设计将是至关重要的。因此，当前的课题重点研究动力刚化对大型风力发电机叶片结构特性的影响。

针对动力刚化问题，首先提出了大型复合材料风电机组叶片的等效旋转楔形梁解析模型。基于提出的等效模型和瑞利-里兹法，推导出了旋转叶片固有频率变化曲线，并与ANSYS三维仿真结果进行了验证。揭示并分析了影响动力刚化效应的主要参数，包括叶片长度、刚重比和展弦比。研究结果表明，动力刚化效应对叶片基频的影响较大，如NREL 5MW为10%，而对其他模态频率的影响较小。基频的变化曲线可以近似为抛物线。对于NREL 5MW和WindPACT 1.5MW风电叶片，发现动力刚化变化曲线曲率和静止频率的乘积近似恒定。该研究将为今后大型风力发电机叶片的减振设计提供指导。

图1.叶片动力刚化效应引发的固有频率与模态的变化结果

12月5日，该研究成果以“Analytical and numerical study on centrifugal stiffening effect for large rotating wind turbine blade based on NREL 5 MW and WindPACT1.5 MW models”为题发表在国际可再生能源领域权威期刊《RenewableEnergy》上。该论文第一作者与通讯作者是华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室教师孟航。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助，论文的分析、讨论与写作得到了新能源电力系统国家重点实验室田德教授、刘永前教授、李莉副教授的支持。