分段式叶片质量分布对风轮轴向窜动和陀螺效应的影响

为探究水平轴风力机分段式叶片质量合理化分布方案,优化叶片结构动力学性能,重点研究分段式叶片质量分布方式对风轮轴向窜动和陀螺效应的影响.利用单向流固耦合技术、湍流模型SST方程数值模拟方法及内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室检测设备,考究两段式叶片、三段式叶片的8种质量分布对上述两类振动的影响.结果表明:叶...     

人字齿轮减振修形优化设计

通过理论齿面与修形曲面叠加设计人字齿轮修形齿面,结合TCA、LTCA技术,综合考虑轮齿刚度、轴向窜动及啮合冲击激励,建立人字齿轮啮合型弯-扭-轴-摆10自由度动力学模型。以LTE幅值、轴向力及振动加速度最小为目标,通过优化确定最佳修形齿面。研究表明,轴向窜动与修形可共同改善齿面载荷分布;转速增加啮合冲击激励较刚度激励、轴向窜动激励振动更明显,刚度激励与冲击激励为引起啮合线方向振动的主要原因,而轴向位移激励对啮合线方向振动无影响;轴向位移激励为引起轴向、扭摆方向振动的主要原因;修形可降低啮合冲击、轴向窜动量、轮齿刚度及刚度波动,能有效降低系统振动。     

S型叶尖小翼对风轮振动频率影响的研究

利用PULSE16.1结构振动分析系统,针对直径1.4m的小型水平轴风力机风轮分别在安装S型叶尖小翼与否的状态下进行静、动频测试,通过静频数据结合谱分析法识别风轮动频。研究发现,S型叶尖小翼导致风轮1、2阶振动静频下降,其对2阶振动静频的衰减幅值较1阶振动大,对同阶反对称振动静频的衰减作用较对称振动大,并具有显著调节风轮2阶反对称振动动频和对称振动动频间差值的效用。同时发现,S型叶尖小翼可有效改变风轮1、2阶振动动频曲线走势,从而有效调节风轮进入和脱离共振区的转速,这对于风轮最佳转速设计和避免共振设计具有较重要的意义。S型叶尖小翼对圆盘效应振动频率和轴向窜动效应振动频率影响很小,但在很大区域的转速范围内,圆盘效应振动动频曲线总是伴随风轮转速1倍频,并出现在1倍频振动带范围内,这一发现有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期内频繁发生疲劳损伤事故提供新的解释。     

基于连续体旋转梁模型的碰摩故障动力学特性分析

针对弹性叶片与刚性机匣的碰摩故障,以直板叶片为研究对象,将叶片简化为考虑旋转的悬臂梁模型,并据哈密顿原理及变分方程推导出悬臂叶片的解析模型。再据叶盘与机匣的偏心关系,推导出叶尖与机匣的间隙变化函数,判定碰摩是否发生。考虑离心刚化、旋转软化及科氏力影响,采用Newmark-β显式数值积分算法,对单叶片-机匣碰摩进行数值仿真。结果发现,由于科氏力的存在,使叶片轴向位移与横向位移间发生耦合,碰摩力消失后,轴向位移会以弯曲动频做自由振动;高转速时,横向位移对轴向位移影响减弱,而弯曲方向振动则随机性较大。     

风力机风轮低频振动特性的实验模态研究

利用国际上先进的PULSE16.1结构振动分析系统,对4个风力机风轮进行模态测试,发现风轮在挂机状态下,低频时存在轴向窜动效应和圆盘效应两种普遍存在的振动方式。振动发生时叶根处分别伴随着往复式和回转式剪切应力,影响到风力机的安全稳定运行和寿命。同时,利用挂机实验对比证明了通常采取的风轮通过夹具安装后在平面上进行模态实验的方法,对风轮振动特性的完整和准确获得均存在一定的影响。初探性分析,轴向窜动效应的产生因主要与塔架的弹性有关;圆盘效应的产生因主要与风轮的安装方式有关。本文相关研究成果有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期频繁发生疲劳损伤事故的分析提供新的思路和理论支撑。     

无转速同步叶尖定时预处理方法及误差分析

提出了一种无转速同步叶尖定时信号预处理方法,通过同一叶片到达不同叶尖定时传感器的振动位移差进行振动参数辨识和转速测量。误差分析表明,该方法可以降低转速测量误差以及转速误差对振动位移测量的影响。分析了振动位移差的测量误差,并与采用转速同步的方法进行了比较。实验结果表明,该方法能够有效地实现叶尖定时测量并具有良好的测量精度。     

风突变效应对风力机振动特性影响研究

风是影响风力机气动特性和结构特性的最直接的因素,风速突变将诱发风力机更强的气动载荷。为分析风力机在高突变湍流风作用下结构动力学振动特性,以NREL实测数据为湍流风数据源,并添加拟序结构刻画风速突变,以NREL Wind PACT 1.5 MW桩柱式风力机为样机,分别研究了风力机叶片和塔架的动力学响应。结果表明:添加拟序结构前后,轮毂点处风速分形维数均在1.5左右;拟序结构的添加使得基础湍流风具有更大的风突变以及更高的湍流强度;切出风速工况,风力机叶尖位移同时为挥舞和摆振;拟序结构的添加使得叶片和塔架振动加速度成倍增加。     

基于BEM的风力机叶片气动性能计算分析

叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件,因此叶片的气动性能及可靠性是风力机安全运行的关键。本文以某1.5 MW风力机为研究对象,采用GH Bladed计算软件计算得到风力机叶片气动载荷的分布规律,并分析了风速及叶尖速比对叶片的气动载荷影响特性。结果表明:轴向荷载数值远大于切向荷载数值,轴向荷载数值沿着叶片尖端到叶片根部不断减小,随着风速的增大,轴向荷载沿展向分布曲线愈加平缓;叶根气动载荷中起控制作用的是轴向推力与挥舞方向弯矩,且随着风速增加至额定风速而单调增加;叶尖速比增大至5时,轴向荷载沿展向分布曲线平缓且峰值减小,当叶尖速比从7增大至11时,轴向荷载在叶尖又出现尖点且峰值大幅增加;当叶尖速比增大至7时,切向荷载逐渐增大,当叶尖速比从7增至11时,切向荷载减小;叶根气动载荷中起控制作用的是轴向推力与挥舞方向弯矩,随着叶尖速比的增大而单调增加,摆阵方向弯矩值随叶尖速比的增加呈现出先增大后减小的趋势。     

旋转叶片-机匣碰摩振动响应分析EI北大核心CSCD

以航空发动机压气机叶片为研究对象,基于ANSYS有限元软件,考虑离心刚化、旋转软化以及科氏力对叶片的影响,采用变厚度壳单元建立了旋转叶片的有限元模型。假定圆盘与机匣存在静态不对中,叶片由于离心力的作用产生径向伸长,从而使叶尖与机匣内壁发生碰摩。根据叶尖处每个节点径向位移与间隙之间的位置关系,对不同转速下叶片-机匣碰摩过程进行数值仿真。研究结果表明:对于扭形叶片,叶尖只有部分节点与机匣发生碰摩;碰摩结束后,叶片振动响应以低阶动频形式进行衰减,连续的周期碰摩产生的倍频成分在与之接近的动频处会出现幅值放大现象。研究结果可为叶片结构设计及叶片-机匣碰摩故障诊断提供理论依据。     

基于HHT方法的非稳定工况风力机结构动态响应时频特性分析

风速变化剧烈的湍流风场、开机启动、偏航以及紧急停机等典型非稳定运行工况均会增强风力机非线性气动弹性响应,时域和频域的结构动力学响应具有十分明显的非平稳特征。为此,基于湍流风谱和相干结构,建立了速度和方向均剧烈波动的湍流风,在气动-伺服-弹性仿真软件FAST中计算了风力机非稳定工况下的动力学特性,并与GH Bladed计算结果对比,验证了结果的有效性。使用HHT方法分析了塔架和叶片位移的时频特性,结果表明:开机启动阶段塔架和叶片位移均小幅振荡约40 s后急剧增加,紧急停机均剧烈振荡约20 s后恢复平稳,偏航导致塔尖侧向位移明显上升。塔架位移响应频率主要集中于一阶振动频率,偏航时幅值增大明显。风轮旋转频率为叶尖摆振的主要谐振动频率,叶片一阶摆振频率受到相干结构影响,紧急停机时由于负气动阻尼影响而使得幅值增大,叶片设计时应适当增大阻尼以减小气动阻尼迅速降低带来的振幅急速增加现象。     

考虑轴向运动效应的梁类结构动力学特性研究

轴向高速运动可以削弱梁的横向刚度,使得结构的固有频率降低。研究了轴向运动对简化为梁类结构的战术导弹横向振动的影响。首先,将战术导弹简化为梁结构;其次,分别给出了考虑轴向运动导弹的梁模型与无轴向运动效应的梁模型;最后,通过算例分析了轴向运动效应对梁模态的影响。研究发现当考虑轴向运动效应后,弹体结构的频率有所下降,而下降速度与结构的质量分布模式有关,集中质量模型频率下降较慢,而等效密度模型频率下降较快。因此研究轴向效应对某型导弹横向振动频率的影响时,需要选择较准确的质量分布模式。     

旋转叶片-机匣碰摩振动响应分析

以航空发动机压气机叶片为研究对象,基于ANSYS有限元软件,考虑离心刚化、旋转软化以及科氏力对叶片的影响,采用变厚度壳单元建立了旋转叶片的有限元模型。假定圆盘与机匣存在静态不对中,叶片由于离心力的作用产生径向伸长,从而使叶尖与机匣内壁发生碰摩。根据叶尖处每个节点径向位移与间隙之间的位置关系,对不同转速下叶片-机匣碰摩过程进行数值仿真。研究结果表明:对于扭形叶片,叶尖只有部分节点与机匣发生碰摩;碰摩结束后,叶片振动响应以低阶动频形式进行衰减,连续的周期碰摩产生的倍频成分在与之接近的动频处会出现幅值放大现象。研究结果可为叶片结构设计及叶片-机匣碰摩故障诊断提供理论依据。     

涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(建模仿真)EI北大核心CSCD

基于叶尖定时非接触式叶片振动测量技术,提出一种需要较少传感器又能提高测量精度的叶片同步振动参数分析方法。通过低转速到高转速运行过程,测量出叶片振动位移随转频变化之间的关系,根据非线性最小二乘拟合算法获得叶片谐共振点处的中心频率、振动最大幅值、相位、振动恒偏量,但无法获得叶片振动倍频值。对谐共振动点附近处的频率值进行恒速运转,不同位置处的传感器获得不同的振动位移,通过GARIV算法获得各叶片在对应谐共振频率点处的倍频值,结合扫频拟合获得的叶片振动参数可做出叶片坎贝尔图。基于以上的识别方法,提出了叶尖计时传感器的布置方法,并对实际测量中可能存在的干扰因素进行了详细的仿真分析,验证了方法的可行性。该辨识方法的实验验证将在《涡轮机叶片同步振动参数辨识方法研究(实验研究)》一文中给出。     

动环补偿型液膜密封三自由度动力学响应特性分析

密封环角偏差及转轴轴向振动直接影响液膜密封的动态追随性,以工程中常见的动环补偿型螺旋槽液膜密封为例,分析补偿环的动力学响应特性。建立液膜密封三自由度动力学分析模型,采用有限差分法离散计入挤压效应项雷诺方程,与膜厚方程、轴向及角向动力学方程组联立,求解补偿环中心位移及X向、Y向角偏差的响应特性。结果表明:轴向激励造成补偿环发生轴向正弦波动,但波动幅度仅为激励振幅的3. 16%;轴向激励对补偿环角向响应无影响;随偏差值的增大,静环固定角偏差及动环初始角偏差对补偿环轴向响应的影响越发凸显;动环能够对静环保持良好的角向追随性,动环初始角偏差将造成动环自身发生角振动。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析EI北大核心CSCD

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

磁悬浮流体机械喘振控制研究

针对磁悬浮流体机械喘振问题,依据流体机械系统喘振状态时质量流量和压升的波动,采用基于质量流量的喘振控制策略。具体来说,利用喘振控制器求出叶轮轴向调节间隙值,并作为悬浮位置参考信号输入至轴向磁悬浮轴承闭环控制系统中,从而在轴向磁悬浮轴承系统作动下改变磁悬浮流体机械转子轴向位置,即改变叶轮叶尖间隙,以实现喘振的主动控制。仿真结果表明,当施加喘振控制时,可以扩展流体机械的稳定运行范围,由未控制下的15.5%节流阀开度扩展至喘振控制下的14%。通过模拟激振的方式辨识了喘振频率,并研究了PID控制器中控制参数对喘振控制性能的影响规律。     

考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析

为分析风轮作用力和叶片刚化对风力机塔架风振反应的影响,研究了考虑叶片刚化效应时风力机塔架的风振反应。采用谐波叠加法模拟了风力机塔架和叶片的脉动风速时程,在理论上推导了考虑离心刚化效应的叶片振动方程。该文分3种工况计算了叶片与塔架在风荷载作用下的动力反应,并对比了3种工况的塔架顶点位移及其相对误差。结果分析表明:叶片剪力对塔架的动力反应影响较大,叶片刚化效应减小了塔架的风振反应,在动力计算过程中应考虑刚化效应的影响。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

V型叶尖结构对风力机结构动力学特性影响的实验研究

为找到不同几何参数V型叶尖结构对风力机结构动力学特性的影响,利用PULSE18.0结构振动分析系统和ME scope VES 5.1模态测试软件结合瞬态激振法,选取振动频率范围0~400 Hz和特定激励点,获得叶轮的固有频率;在低速风洞中,通过三向振动加速度传感器测定额定风速12 m/s时不同转速所对应的振动加速度,并分析改型前后叶轮前三阶振动频率。结果表明:3种叶片均在叶轮转速375~625 rad/min发生明显振动现象,叶轮在500 rad/min一二阶低频时,V-1型叶尖叶片偏离值为5.6%和4.4%,发生共振的可能性较低,V-2型叶尖叶片偏离值为3.4%和2.1%,发生共振的可能性较高,在三阶时改型前后的偏离值超过20%发生共振的可能性都比较低。该结果对风力机叶片叶尖改型的设计和避免共振提供一定的数据参考。