基于数字图像处理的风电机组叶片裂纹损伤识别方法研究

为实现风电机组叶片损伤检测的高效化、智能化、便捷化,研究一种基于数字图像处理技术的风电机组叶片裂纹损伤识别以及裂纹类型判断和特征参数提取的方法。以无人机采集的风电机组叶片图像为研究对象,通过对比灰度化、滤波、阈值分割等图像处理步骤的多种算法,对形态学处理方法进行改进,首先选用平均值法对叶片图像进行灰度处理,其次使用中值滤波对图像进行去噪处理,再次使用Otsu阈值分割以实现裂纹区域的分割,然后基于改进的形态学方法提取出完善的叶片裂纹损伤区域,最后基于连通域原理完成裂纹区域的框取。基于上述算法设计风电机组叶片裂纹损伤识别系统以实现叶片裂纹图像检测的可视化处理、裂纹类型判断及裂纹特征参数提取等功能。结果表明,该系统对于风电机组叶片裂纹损伤检测具有可靠的识别精度,识别准确率为85%,实现了风电机组叶片裂纹损伤的自动识别与特征参数提取,提高了叶片裂纹损伤的检测效率。     

基于WPT-SVD-KELM的大型风力机叶片表面裂纹识别方法研究

为准确识别风力机叶片表面裂纹位置和长度，提出基于小波包-奇异值分解-核极限学习机（WPT-SVD-KELM）的裂纹识别方法。搭建风力机某典型叶片裂纹识别平台，开展正常叶片和含裂纹叶片的模态实验和变桨实验，获取不同工况下正常叶片和含裂纹叶片的振动信号。利用频响函数研究裂纹位置对振动信号幅频响应的影响，从而准确识别叶片表面裂纹位置，利用WPT-SVD提取风力机叶片表面裂纹振动信号的时频特征，定义参数kr表征裂纹长度的变化，并将特征参数导入优化后的KELM，从而识别风力机叶片表面裂纹长度。     

模态应变能理论及其在风力机叶片损伤识别中的应用

文章给出了风力机叶片的动力特性计算模型、结构体模态应变能的概念及其计算模型,定义了结构体损伤状态下的模态应变能变化率概念并给出其计算模型。在此基础上,以15 kW风力机叶片为研究对象,在ANSYS中建立有限元分析模型,计算该叶片在不同损伤位置与不同损伤程度下的频率以及模态应变能变化率,并以模态应变能变化率作为表征结构损伤的标识量,对含损伤的风力机叶片结构进行损伤辨识仿真。通过神经网络建立起损伤标识量和损伤状态之间的映射模型,为实现叶片损伤的诊断提供理论依据。     

基于机器视觉的风电叶片风沙侵蚀程度检测方法研究

提出一种基于机器视觉的风电叶片表面无损检测方法,可快速检测出叶片表面有无缺陷。该方法结合机器视觉理论和图像处理技术,通过对采集到的叶片图像进行灰度化、空间滤波、图像增强、图像分割、图像去噪、形态学重建等算法,实现对叶片缺陷损伤区域的识别与特征参数的提取,可降低噪声和人工判读对叶片表面缺陷精度的影响,可为今后叶片无损检测的自动化和数字化提供参考。     

基于等几何分析的三维风力机叶片数值仿真研究北大核心CSCD

针对风力机叶片在有限元分析中网格识别精度低、求解精度差和效率低的问题,文章提出了风力机叶片的等几何分析(IGA)方法,将模型的设计和分析采用同一基函数,从根本上消除模型设计与分析间的误差,避免了复杂的网格划分过程。首先构建了适合IGA的风力机叶片NURBS模型;然后推导三维静力学IGA相关计算公式,实现三维复杂风力机叶片的IGA。为验证该方法的正确性与优越性,一方面通过简单算例的精确解对比验证,另一方面将计算结果与商业软件进行对比。结果表明:IGA与简单算例精确解的误差为0.22%,与商业软件的最大误差为5.1%;当IGA的节点数为600时,计算时间为43 s,其计算结果与商业软件中节点数为2300时,计算时间为151 s的计算结果基本一致。证明了在保证较高计算精度的条件下,风力机叶片的IGA较有限元求解节省了大量的节点,提高了求解的效率。     

基于机器视觉的风力机叶片故障检测技术研究

针对运行中的风力机叶片，提出一种基于机器视觉特征分类的故障诊断方法。通过对叶片叶尖进行圆形标记，利用工业相机周期性获取叶片尖端的图像，并在Halcon软件上对图像进行预处理，对大雾天气下采集的图像利用暗通道除雾算法进行清晰化处理。利用叶尖标记检测算法提取标记、计算区域圆度和区域中心等区域特征。对相邻叶片上标记计算位移差，并与系统预警阈值比较，判断叶片在扭转或偏摆方向的变形程度和故障趋势，从而实现风力机叶片变工况运行状态在线检测和自适应预警。     

风力机叶片静力测试与分析

利用风力机叶片动力特性实验台测试了风力机叶片在载荷作用下的形变特性,通过改变加载力的大小和加载位置进行多组实验,计算各个截面的弯矩;通过实验和有限元静力分析找出了风力机叶片主要承力部件,对风力机叶片的设计和制造提供了参考依据,对提高风力机的总体性能和优化设计具有重要意义。     

基于振型曲率的风力机叶片覆冰检测技术

为深入研究基于振动理论的风力机叶片覆冰诊断技术,对不同覆冰状态下的风力机叶片进行动力特性模拟实验。通过研究各阶次下、各温度下振型曲率与覆冰的关系,定义覆冰位置特征值和覆冰程度特征指标。借助Matlab软件拟合得到覆冰位置诊断阈值函数以及厚度计算公式,从而建立风力机叶片覆冰状态定量检测指标体系。最后对所提出的覆冰状态诊断指标体系做实例验算,结果表明该方法对风力机叶片覆冰状态识别具有较高的准确度。     

风沙环境下风力机叶片冲蚀磨损的数值研究

基于N-S方程,结合RNG k-ε湍流模型和DPM模型对风沙环境下风轮的冲蚀磨损行为进行数值计算。通过分析不同颗粒直径和浓度下风轮的冲蚀磨损特性,研究风沙对风力机叶片冲蚀磨损的主要部位,以及叶片磨损与颗粒粒径和沙尘浓度的关系。研究发现,叶片磨损最严重的区域位于叶片前缘部分,次严重区域为叶片压力面;颗粒粒径对叶片磨损区域和磨损速率的大小影响显著;颗粒浓度对磨损位置影响很小,叶片的磨损速率随着颗粒浓度的增加呈线性规律增加。     

风力机叶片裂纹扩展预测与疲劳损伤评价

针对风力机叶片疲劳损伤过程难以定量评价的问题,提出一种基于裂纹扩展AE信号分形特征的疲劳损伤模糊评价方法。首先用修正系数μ改进关联维数的计算式,确定32组试样所适合的修正系数和最佳嵌入维数,然后在裂纹扩展试验中将AE信号的关联维数与加载条件、裂纹结构参数等共同组成评价疲劳损伤的影响因素集合,从试样数据中在集合近似的条件下求得权重集合,最后对某风场1.5 MW的风力机叶片进行评价,为探索风力机叶片疲劳损伤状态和裂纹扩展之间的内在规律提供了一条新思路。     

基于惯性网络的兆瓦级风电叶片形变测量算法研究

针对目前风电叶片形变过程中挠曲度测量误差较大的问题,提出一种基于惯性网络的相对运动监测算法。首先根据应力分析对叶片建立主从式惯性网络,然后推导出主子节点间的相对运动解算方法并建立相对导航误差模型,设计相对导航误差估计滤波器,通过误差反馈保证子节点的位姿解算精度;其次构建联邦式的相对惯性导航误差估计滤波器进行主子节点的数据融合,提高风电叶片的形变估计精度及系统整体的容错性;最后对某型风电叶片进行静力加载试验,试验结果表明：该算法可准确测量出叶片上各节点在三维空间的位移曲线,3个子节点在挥舞方向的平均相对误差仅为0.92%、1.18%、1.07%。该算法可实时监测风电叶片的位姿状态,在叶片检测及风力机日常运行的安全监测上具有较好的理论研究意义与工程应用价值。     

Wind turbine aerodynamics and loads control in wind shear flow

Wind turbine is subjected to some asymmetrical effects like wind shear, which will lead to unsteady blade airloads and performance. Fatigue loads can lead to damage of turbine components and eventually to failures. It is evident that the variation of the velocity over the rotor disc has an influence on the blade and introduces both flap-wise and edge-wise fatigue damage on the blade as a result of moment fluctuations in the two directions. The flap-wise moments on the blade are the origin of the rotor yaw and tilt moments which transmit to the turbine structure through the drive train to the yaw system and the tower. A lifting surface method with time marching free wake model is used to investigate the periodic unsteady nature in the wind shear. Individual pitch control (IPC) that is applied nowadays is the most advanced active control to reduce the fatigue. The blade airloads and performance of the turbine are also predicted under IPC control. It is found that IPC of the fluctuating blade root flap-wise moment can reduce the flap-wise fatigue damage remarkably while the blade root edge-wise moments are less sensitive to the varying blade pitch than the blade root flap-wise moments.     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

复合材料风电叶片检查维护及维修

风电叶片直接承受风载并长期面对各种侵蚀,其状态直接影响风电机组发电效率和使用寿命,风电场运营商和承保保险公司应该认识到,由专业团队定期对叶片进行检查和维护非常必要。复合材料风电叶片有其自身的特点,本文介绍了其检查、维护、损伤鉴定和维修的意义、方法和内容,并展望了装机叶片检查维护的前景。     

风力机风轮模态局部化的动力学机理与影响因素分析

该文对风力机叶片损伤导致风轮模态局部化的动力学机理与影响因素进行研究。首先从代数特征值角度,揭示模态局部化的动力学机理,发现结构产生模态局部化的主要原因是存在密集模态。其次,建立NREL 5 MW风轮结构的有限元模型,分析叶片失谐度、模态阶数和失谐位置对风力机风轮结构模态局部化的影响。结果表明：叶片损伤失谐会造成叶片的振型发生显著变化,产生模态局部化现象;同时在某些模态下,系统振动能量集中于损伤叶片,会加速叶片损伤,致使其产生疲劳破坏。因此在风力机结构设计时,需考虑模态局部化对风力机结构的动力学特性影响。     

旋转对风力涡轮叶片三维边界层影响的数值计算

由于旋转的影响,基于经典二维叶素理论设计的水平轴风力涡轮叶片,在高风速工况下不能可靠运行,即存在失速延迟现象,采用不可压缩三维边界层积分方程揭示产生这种失速延迟现象的机理,分析旋转对风力涡轮边界层的影响,通过积分边界层方程的求解（包括层流,转捩及紊流）,得到一些关键的影响参数（如失速点位置,动量厚度等）。并在相同的运行条件下,比较二维工况与三维旋转工况下各关键参数的差别,得到由于旋转的影响,边界层     

双层翼水平轴风力机气动性能研究

以NREL Phase VI风力机叶片为参照对象,设计一种双层翼叶片。在不同来流风速下,对该新型水平轴风力机叶片气动性能进行数值模拟,对比原始NREL Phase VI风力机在相同来流风速相同叶片高度处的流线图,发现双层翼叶片可较有效抑制流动分离。进一步将双层翼风力机叶片的扭矩值、弯矩值分别与相同条件下NREL Phase VI风力机的结果进行对比,分析双层翼叶片的气动性能以及风能利用率的变化,并研究气动性能随安装角的变化规律。     

Modal-based damage identification for the nonlinear model of modern wind turbine blade

In this paper, the modal-based indices are used in damage identification of the wind turbine blade. In contrast of many of previous researches, the geometric nonlinearity due to the large structural deformation of the modern wind turbines blade is considered. In the first step, the finite element model (FEM) of the rotating blade is solved to obtain the modal features of the deformed structure under operational aerodynamic loading. Next, the accuracy and efficiency of the various modal-based damage indices including the frequency, mode shape, curvature of mode shape, modal assurance, modal strain energy (MSE) and the difference of indices (between the intact and damaged blades) are investigated. To adapt the MSE index calculation in nonlinear modeling, a new approach is introduced to include the effects of the structural nonlinearity. Furthermore, the effect of the damage length, its location and severity and also the effect of rotational speed and amplitude of loading are studied. The generic 5-MW NREL blade is used for the simulation study. The results show enough sensitivity of the mode shape curvature and MSE indices to the local damages. Moreover, the importance of geometric nonlinearity in the damage detection of the modern wind turbines is demonstrated.     

限功率控制下风电机组叶片疲劳损伤研究

基于叶素-动量理论计算风电机组叶片气动载荷,建立其疲劳载荷模型;将叶片简化为悬臂梁,采用雨流计数法、Goodman经验公式和Miner线性累计损伤理论计算风力机叶片疲劳损伤和等效疲劳载荷;根据2种限功率控制策略计算不同限功率水平和湍流强度下风力机叶片单位时间的疲劳损伤量,分析限功率运行工况对叶片疲劳损伤的影响。结果表明,新型限功率控制策略可减少变桨系统的动作频率和动作幅度,但其稳定运行状态对叶片的疲劳损伤量大于传统限功率控制策略。最后通过三维函数拟合得到疲劳损伤函数,可应用于限功率条件下风电场优化调度。     

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。