全尺寸风电叶片疲劳加载载荷匹配及试验研究

为疲劳加载试验时沿叶片展向满足实际工作时的弯矩分布,对全尺寸风电叶片共振型疲劳加载系统进行载荷匹配与试验。分析叶片共振式疲劳试验中弯矩分布,采用参数分段离散法沿叶片展向离散出质量与长度矩阵,推导叶片弯矩数值计算方法,建立弯矩匹配优化数学模型,编制弯矩分布校验算法,利用Matlab/Simulink建立仿真模型并对匹配优化进行数值仿真,并校验配重块的质量和数量,得到沿叶片展向的弯矩分布误差小于7%。试验结果表明,疲劳试验过程中叶片加载点的振幅稳定,叶片根部弯矩误差不超过±5%,满足疲劳加载试验的弯矩分布精度要求,试验精度与检测效率得到提高,缩短疲劳试验周期,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。     

风电叶片疲劳加载试验电磁激振特性研究

提出一种基于电磁力驱动的风电叶片疲劳加载新方法。为进一步得到电磁机构参数对激振力特性的影响规律,首先,以螺线管式电磁铁为加载装置,采用解析法构建电磁疲劳加载系统数学模型;其次,设计多阶段电磁激振力并通过能量守恒定律得到电磁力与叶片振幅和频率的关系;最后,利用ANSYS Maxwell软件建立磁场仿真模型,验证电磁激振力设计的合理性,并分析电磁铁结构参数对加载力及速度的影响,得出在给定的叶片规格下满足测试要求的电磁机构的线圈匝数、形状参数、铁心长度、铁心外径的优选范围,可为后续电磁式疲劳加载试验台的开发奠定理论基础。     

风力机叶片电磁脉冲式疲劳加载系统及试验研究

分析疲劳试验过程中叶片加载的运动规律,利用能量法对能量耗散进行计算及动力参数匹配,设计一套叶片电磁脉冲式疲劳加载系统。采用短时能量补充加载,瞬时最小势能原理导出叶片在时变载荷作用下的多自由度运动方程,建立仿真模型并对脉冲激励叶片响应数值进行仿真。利用激光测距传感器获取加载点振幅为控制参数,控制器基于SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)脉冲控制方式,搜索跟踪共振频率,实现叶片等幅稳定振动。现场试验表明,叶片脉冲加载载荷均匀,控制过程稳定可靠,共振时叶片加载点振幅误差保持在±5%之内,试验效率及系统寿命得到提高,可为风力机叶片疲劳实验提供一种新的加载方式。     

风电叶片疲劳试验载荷确定方法研究

文章以1.0MW风电叶片(DF64A)为例,研究了在单点单轴恒幅值加载方式下,疲劳试验的疲劳载荷计算方法。根据Bladed软件仿真得出的叶片在风场的疲劳载荷谱(Markov矩阵),利用疲劳损伤理论分析方法及有限元软件研究分析了叶片疲劳试验载荷设计点的位置;最终确定了疲劳载荷设计点在单轴疲劳载荷My作用下的疲劳损伤值;并给出了单点恒幅值加载方式下,该位置的静态载荷参数和动态加载载荷。最终确定出试验方案。     

风力机叶片两点激励疲劳试验系统设计与特性分析

基于电驱惯性式激振装置,采用能量法计算能耗及动力参数,匹配叶片试验弯矩载荷,设计出一种两点激励共振型风力机叶片疲劳试验系统。建立两点激励加载试验系统的动力学模型,并结合三相永磁同步电机的在d-q坐标系下的状态方程,联合构建系统的机电耦合方程,利用Matlab软件建立仿真模型进行数值仿真分析,得到系统耦合振动过程基本规律。构建两点激振惯性加载系统进行兆瓦级风力机叶片加载试验,验证数学模型及仿真分析的结果,为叶片疲劳试验系统及控制算法设计提供指导。     

风力机叶片摆锤共振疲劳加载系统及控制研究

分析疲劳加载过程中摆锤受叶片振动影响的运动规律,利用能量法进行系统动力参数匹配计算,设计一套摆锤共振型大型风力机叶片疲劳加载系统。利用激光测距传感器获取加载点振幅为控制参数,以振幅偏差为偏差变化率输入,加载频率为输出建立模糊控制系统,控制器对振幅变化数据进行采集、存储与分析,并搜索跟踪共振频率,驱动变频电机实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,叶片加载载荷更均匀,控制过程稳定可靠,共振时叶片加载点振幅误差保持在±5%之内,为风力机叶片疲劳加载提供了理论基础与试验依据。     

兆瓦级风力机叶片疲劳加载系统及其自适应扫频控制

设计一套偏心质量快驱动的兆瓦级风力机叶片疲劳加载试验系统,整个加载系统采用多级网络互联模式。由于疲劳试验周期较长,导致加载点刚度变化,引起叶片振幅衰减。针对该问题,通过激光测距仪获取加载点振幅作为控制指标,并以振幅变化及其变化趋势作为输入,加载频率作为输出,建立模糊扫频控制系统,变频电机驱动叶片实现等幅振动。试验结果表明该加载系统结构可靠、自动控制过程稳定,自适应扫频控制器能有效维持风力机叶片的幅值误差小于5 mm,满足试验要求。     

风力机叶片双锤作动疲劳加载系统及试验研究

设计一套双作动器共振型风力机叶片疲劳加载系统,对系统能量耗散计算及动力参数匹配,基于多级网络模式制定共振疲劳加载控制策略。对同步控制策略与算法进行研究,确立虚拟主令点动控制方式,采用配重块优化叶片展向弯矩分布误差,以振幅偏差及加载频率为输入输出建立控制系统,控制器基于控制同步方式驱动伺服电机,搜索跟踪共振频率,对振动参数数据采集、存储与分析,实现叶片等幅稳定振动。现场试验结果表明,系统控制同步有效,共振频率搜索与跟踪效果较好,共振时叶片振幅误差保持在5%之内,刚度无明显变化,试验精度与效率得到提高,可为风力机叶片疲劳加载的工程应用提供理论与试验参考。     

风电叶片两点并激疲劳加载系统协同控制研究

研发一种新型风电叶片电驱动两点并激惯性疲劳试验系统。为了消除风电叶片两激振器加载过程中耦合效应,提出虚拟主令耦合同步控制策略,以滑模变结构控制算法设计误差补偿器,利用李雅普诺夫函数证明算法稳定性,然后建立控制仿真模型,数值仿真分析该算法收敛性及鲁棒性。风电叶片两点激振现场试验结果表明,控制算法能使两激振器快速跟随,并激加载能较好地维持同步状态,两激振器的相位差的波动很小,其值约±2°,叶片振幅稳定,实现了风电叶片的平稳有效加载。     

风电叶片后缘疲劳加载设备摇臂支架结构优化设计

基于模态叠加理论对风电叶片后缘疲劳加载设备摇臂支架进行模态分析和拓扑结构优化。文章通过对风电叶片后缘疲劳加载模型进行合理简化,对摇臂支架所受载荷进行了等效分析,建立了摇臂支架的有限元模型,进而基于模态叠加法对摇臂支架进行动力学响应分析,得到了各阶次的频率分布情况。最后,以各板件厚度为约束条件,建立以质量最轻为目标函数的数学模型,结合OptiStruct软件得到了优化结果。结果表明,优化后的摇臂支架质量减少了985 kg,且在相同工况下,摇臂支架的变形量减少了4.7 mm,验证了优化后摇臂支架结构的可行性,为后缘加载装备的工程应用提供了理论支撑。     

风电叶片双轴疲劳加载系统同步控制研究

为解决风电叶片双轴疲劳测试中加载不同步问题,文章在摆锤离心共振式加载方式的基础上设计了相位同步控制系统。采用基于BP神经网络的同步控制策略,利用扫频法确定叶片各轴共振频率,为提高激振源的同步效果,采用交叉耦合结构,开发相位同步补偿算法确定控制器向双轴电机发送的补偿脉冲信号。以56.4 m兆瓦级风电叶片的相关参数作为试验数据建立Simulink仿真模型,进行相位同步控制系统与传统PID自动控制系统对比仿真实验。仿真结果显示:当加载到120 s时,双轴电机的转速误差在5%以下,相位误差在±0.05范围内,达到风电叶片双轴离心共振加载要求;与传统PID控制策略相比,达到稳态的时间缩短了50%左右,相位同步控制效果提高了20%。     

大型风机叶片疲劳加载模式的能耗分析

设计了两套风机叶片疲劳加载试验方案:液压缸强迫加载模式和偏心质量块共振加载模式,并给出了两种模式下的能量耗散方程。采用多级载荷加载试验获得沿叶片展向的挠度分布情况和加载点刚度值,通过叶片的自由衰减试验获得阻尼比值。最后对aeroblade1.5-40.3风机叶片进行1个振动周期的能耗计算,得出在相同振幅下,共振加载模式的能耗小于强迫加载模式能耗的1/3。研究结果为后续的风机叶片疲劳加载试验打下基础。     

风电叶片双向惯性式疲劳加载系统及控制研究

设计一种电驱动双向惯性式风电叶片疲劳加载系统,基于能量法对系统动力参数匹配及优化计算。在考虑机电耦合影响基础上,提出基于虚拟主令相邻偏差耦合同步疲劳加载控制策略,并对算法的稳定收敛性进行分析,利用Matlab进行试验验证。现场试验结果表明系统控制效果较好,通过控制可消除机电耦合作用带来的固有相位差,并能较好的维持同步状态,叶片振幅误差保持在5%之内,试验精度与效率得到提高,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。     

叶身裂纹对汽轮机叶片振动特性影响的研究

探究了汽轮机叶片裂纹位置和裂纹深度对整圈叶片振动特性的影响。结果表明,随着裂纹深度的增加,整圈叶片的静位移幅值逐渐增大,一阶振动频率逐渐降低,单只裂纹叶片的个体振动愈发明显。当某一单只叶片完全折断后,该叶片附近的叶片将呈现自由振动。当裂纹位置由叶片底部向顶部变化时,整圈叶片静位移幅值先增大后减小,振动频率单调递增。研究内容为叶片裂纹识别和裂纹诊断提供了仿真依据,具有重要意义。     

叶片覆冰对风电机组关键结构安全性的影响

为研究低温条件下叶片覆冰对风电机组关键部位振动频率、翼型气动性能、发电功率、极限载荷和疲劳载荷的影响,对某3.XMW风电机组在覆冰、未覆冰条件下,基于IEC61400-1标准、线性疲劳累计损伤理论、雨流循环计数法,通过仿真软件建立该机型覆冰、未覆冰两种模型并进行计算。计算结果表明,叶片覆冰导致叶片和塔筒振动降低,翼型升力系数降低,阻力系数升高,发电功率降低,覆冰条件下的叶根、旋转轮毂中心、固定轮毂中心、偏航中心、塔筒底部极限载荷和等效疲劳载荷增大,最大累计循环次数降低,其中叶片挥舞载荷增幅最大。研究成果可为叶片覆冰时机组优化提供参考。     

基于降风阻力器的风电叶片激振降阻特性及试验

从实用的角度出发提出一种基于降风阻力器补偿的降阻增幅激振方案,即在靠近叶片尖部区域安装1个降风阻力器,减小叶片振动面受到的风阻。首先设计4种不同截面形状的降风阻力器,采用ANSYS/CFD软件进行数值模拟,得出锐角型和椭圆型具有更好的降风阻功能,且角度越小,降风阻效果越好。最后搭建1套基于锐角型降风阻力器补偿的风电叶片疲劳测试平台,试验结果表明,相同条件下该激振方式能很好地降低风阻,叶片稳定状态的振幅从750 mm增大到1000 mm,具有广阔的工程应用前景。     

风力发电机组风轮叶片用环氧结构胶疲劳性能研究

采用拉拉单向测试方法,在τm=0.35τR的条件下,以振幅τa做正弦波形振动,设定频率为30Hz,疲劳循环数100万次。对自制环氧合模胶和对比环氧合膜胶分别做了胶层厚度为0.5mm的FRP-FRP剪切强度疲劳试片,利用阶梯法,计算疲劳极限和标准差,并得到了S-N曲线。     

磁流变阻尼器多物理场耦合的温升特性分析

磁流变阻尼器属于一种能量耗散装置,在使用过程中将振动机械能转化为自身热能,阻尼器力学性能受磁场和温度等因素的影响。建立磁流变阻尼器温度场的数学模型和仿真模型,运用COMSOL仿真计算软件,分析了磁流变阻尼器多物理场耦合下的温升特性,通过改变线圈电流大小、激励振幅和频率,对比研究影响阻尼器温升的原因。仿真结果表明,磁流变阻尼器温升主要来自于磁流变液流动的黏性热,小电流时电磁热对阻尼器温升影响较小,激励信号振幅和频率的变化对阻尼器温升影响较大,一维能量平衡法温度场数学模型仅适用于激励信号时大振幅或大频率工况场合。     

大型水轮机顶盖动态特性数值模拟与试验研究

顶盖作为大型水轮机的主要承载部件,在实际运行过程中经常出现振动超标问题,严重威胁整个机组的安全运行。为此,从结构的动态特性出发,基于有限元法,建立了顶盖的高精度动力学仿真模型,采用Block Lanczo法求解得到前6阶固有频率,同步开展模态测试,可发现有限元计算结果与测试结果非常吻合,相同振型的固有频率最大误差仅为5.2%。接着开展工况振动测试,测得了顶盖工作时的径向和轴向最大振幅和振动频率,将此作为输入条件,基于动力学模型进行动力学响应分析,得到了振动状态下顶盖的结构应力。在此基础上,进一步进行谐响应分析,得到激励频率对结构应力的影响规律。结果表明,顶盖径向振动的危害远大于轴向振动,径向振动引起的振动应力为108 MPa,而轴向振动最大工况振动应力仅为36.7 MPa;振动应力随激励频率的变化出现宽幅波动,在81Hz附近,顶盖应力均存在明显应力尖峰值。     

叶片变桨速率对风电机组停机过程载荷特性影响研究

分析叶片变桨速率对于风电机组机械载荷影响的机理,并基于某2.5 MW双馈型风电机组载荷实测数据,对相同外部条件不同叶片变桨速率停机过程的载荷数据进行分析,研究叶片变桨速率对风电机组疲劳与极限载荷的影响。运用GH Bladed软件,对不同叶片变桨速率停机工况下的风电机组载荷进行仿真计算,验证叶片变桨速率与风电机组载荷之间的内在关系。现场测试数据与仿真结果均表明,风电机组停机过程中的载荷特性与叶片变桨速率相关,且随着叶片变桨速率的增加,疲劳与极限载荷随之明显增加。由叶片变桨速率增大导致的风电机组极限载荷增加比例与疲劳等效载荷增加比例相近。