某大型风机叶片静力加载失效破坏原因分析

静力加载试验是验证风电叶片结构静强度以及稳定性是否满足设计要求的重要方法。文章结合试验测试数据以及采用FOCUS软件和有限元方法,对某大型风机叶片的静力加载失效破坏进行了分析。分析结果表明,PVC芯材过热引起剪切模量下降,是导致叶片壳体失效破坏的主要原因。模拟分析结果与试验测试数据以及失效破坏状况较好吻合。通过改进和完善生产工艺,解决了壳体芯材过热问题,最终叶片顺利地通过了静力加载试验。     

环形预应力锚索失效对高内压隧洞内衬应力的影响

受施工质量不良、防腐措施不规范、锚索张拉控制应力过高等因素的综合影响,环形预应力锚索存在失效的可能与现实。为揭示高内压隧洞内衬中环形预应力锚索破坏失效后对隧洞内衬应力的影响,以南水北调中线穿黄隧洞工程为例,采用三维有限元方法对隧洞内衬结构的应力分布进行模拟计算,假设标准段衬砌中不同部位、不同根数锚索的预应力完全失效,分析其对隧洞内衬应力的影响。研究结果表明,锚索失效后失效锚索附近局部区域预压应力减小,运行中的环向应力分布均匀性变差并出现了拉应力区;衬砌段中部锚索失效对内衬应力的影响区域较大但对应力值的影响较小,端部锚索失效对内衬应力的影响区域较小,但对应力值的影响较大;端部锚索失效和中部相邻两根锚索同时失效时的运行工况最大拉应力值超过混凝土设计抗拉强度,将引起混凝土的局部开裂,可能导致结构破坏。     

会人溪砌石拱坝局部加固研究

会人溪浆砌石拱坝坝底厚度远小于现行规范及同类工程要求,致使最大拉应力超标,结构安全评定不满足要求,需进行加固处理。为此,基于ANSYS有限元软件编制有限元等效应力计算程序,计算原坝体应力结果,提出了培厚加固、肋墩加固等4种局部加固方案。通过加固后坝体应力分布情况,找到了最优加固方案和加固实施条件。研究表明,在坝体下游侧采用培厚加固、肋墩加固等局部加固方案可显著降低加固区应力,但在初始加固条件下(加固前上游水位139 m),各方案均无法满足拉应力控制标准;坝体上游侧加固区顶部易出现拉应力集中,最大拉应力与加固体型及加固前上游水位相关;对加固前上游水位进行敏感性分析,发现低水位有利于降低坝踵处拉应力,但易导致加固区顶部附近拉应力偏大;在方案2条件下,控制加固前上游水位介于130～134 m时可满足拉应力控制标准,为推荐方案。     

层合板复合材料性能的测试与数据处理

复合材料层合板的性能数据是进行风电叶片、机舱罩结构设计的关键参数，其中力学性能的测试是最为关键的测试。为了实现叶片生产的国产化，该文提出了叶片设计时材料测试的方法和数据处理，为今后风电复合材料部件的自主开发铺设了道路。     

新型海上风电支撑结构设计与分析

为解决海上风电基础结构存在的材料强度利用率低、应力集中等问题,提出一种新型桁架式海上风电支撑结构.建立设计水深为10m的三维有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件首先进行结构模态分析,得出固有频率值,以确定结构不会与风机的工作频率耦合发生共振.对包括风机运转载荷在内的6种不同工况进行静力和动力分析,得到静力分析结果和单元的时程曲线,与传统的单柱式进行比较,结果表明:新型海上风电支撑结构动力分析结果与静力相比,顶部最大位移增大0.002m,最大yon Mises应力增大2.3MPa,低于相同刚度单柱式结构的0.026m、25.7MPa,具有良好的动力性能.     

高速汽轮机末级叶片和轮缘强度分析及优化

针对某船用高速汽轮机末级叶片齿形叶根及轮缘进行了有限元强度分析,根据分析结果,结合机组自身的特点,提出了叶片和轮缘结构优化方案,并对优化后的结构进行了强度分析,结果表明,轮缘应力有较大幅度下降,为机组的通流设计奠定了基础。     

基于非线性有限元法的风电叶片动态频率研究

针对风电叶片设计阶段,如何准确预估叶片工作状态下的动态频率进行研究.依据旋转部件结构频率改变的原理,采用非线性有限元数值计算方法,分别对叶片工作转速的下限及上限情况,进行结构的线性与非线性静力分析,通过对计算结果的比较,探讨了惯性载荷对叶片结构的非线性影响程度.利用静力分析的结果,开展叶片动态频率的计算与比较工作,分析...     

漂浮式风力机Spar平台结构动力响应分析

采用有限元方法,基于Von-Mises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了平台动态响应和结构应力。结果表明:螺旋侧板对Spar平台的自振频率没有明显影响;附加螺旋侧板可以有效减小平台在垂荡和纵摇方向的运动响应,但在纵荡方向上没有明显改善;螺旋侧板阻碍了海流的流动,增加了流动阻力,平台结构应力略有增加,且最大切应力约为最大等效应力的二分之一,但平台结构仍是安全的,而最大等效应力是影响平台安全稳定工作的关键。     

风力发电机组载荷测试叶根弯矩信号标定方法研究

风力发电机组载荷测试是涉及到风电机组寿命与安全的、重要的型式认证试验项目之一。载荷测试的主要内容是对风电机组塔筒、主轴、叶片等主要结构部件的弯矩(扭矩)进行测试。叶根弯矩测试采用传统的粘贴应变片和搭建惠斯通电桥的方式。由于叶片本身结构及材料特性复杂,因此传统的旁路电阻标定的方法不适用于叶片根部弯矩信号的标定。结合实际测试项目,文章介绍了几种常用的叶片根部弯矩信号标定方法,并分析了各自的特点。     

基于塑性损伤模型的某低强风电机组基础加固方案优化设计

针对风电机组基础加固缺少精确理论分析的问题,以某风场项目为例,通过ABAQUS三维有限元分析软件,采用塑性损伤模型模拟不同方案的加固效果,以期为实际风电机组基础加固设计提供理论支撑.通过对比分析不同尺寸环梁加固后基础的最大应力、损伤程度以及钢筋应力的变化,结果表明:增加环梁高度能有效提高基础结构承载力,增加环梁宽度能在...     

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。     

可变偏心距风力机应力应变特性研究

针对新型可变偏心距风力机,通过数值模拟及实验测试的方法,研究偏心距离对风轮、塔筒及侧偏调节机构受力的影响。结果表明,在来流风速增大的条件下,可变偏心距风力机通过增大偏心距可减小叶片受力,风轮向右侧偏心100 mm时叶片最大应力是未偏心工况的86%;随着偏心距离的增大,塔筒在俯仰方向受力增长趋势放缓,受风轮偏转角增大的影响,塔筒在侧弯方向受力处于持续增大的状态;在向右偏心距离增大的过程中,风轮侧偏调节机构应力及应变逐渐向右侧集中,最大应力、应变始终处于中间部位,结果验证了偏心距调节方式的可行性及安全性。     

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。     

Fracture mechanics approach for failure of adhesive joints in wind turbine blades

Composite components of wind turbine blade are assembled with adhesive. In order to assess structural integrity of blades it is needed to investigate fracture of joints. In this study, finite element analysis based on fracture mechanics was conducted to characterize failure of adhesive joint for wind turbine blade. The cohesive zone model as proposed fracture mechanics approach was verified through the comparison of numerical results with experimental data. Finite element models of wind turbine were developed to predict damage initiation and propagation. Numerical results based on fracture mechanics showed that failure was initiated in the edge of the adhesive bond line due to high level of shear stress prior to reaching the extreme design loading and propagated progressively.     

Design and construction of a simple blade pitch measurement system for small wind turbines

For small wind turbines to be reliable they must have in place good mechanisms to protect themselves against very high winds or sudden removal of load. One common protection method in small wind turbines is that of blade feathering. It is important that the blade feathering mechanism of a small wind turbine is tested before the turbine is installed in the field. This paper presents a simple system for monitoring the blade feathering of a turbine with an overall component cost that small wind turbine manufacturers can afford. The Blade Pitch Measurement System (BPMS) has been designed and constructed by the Research Institute of Sustainable Energy (RISE) and aids small wind turbine manufacturers in testing and optimising the settings of the blade feathering mechanisms on their machines. The results show that the BPMS was successful in recording the behaviour of the blade feathering mechanism in field trials with a 20 kW and a 30 kW wind turbine. The BPMS displays significant potential as an effective, inexpensive system for small wind turbine manufacturers to ensure the reliability of their pitch regulating over-speed protection mechanisms.     

Fluid‐structure interaction of a morphing symmetrical wind turbine blade subjected to variable load

A brief summary of the main challenges of rotor design in wind energy conversion (WEC) systems, most notably the horizontal axis wind turbine (HAWT), are presented. One of the limiting factors in HAWT design is choosing the rated capacity to maximize power output and turbine longevity. One such strategy to accomplish this goal is to widen the operational range of the WEC system by using pitch or torque control, which can be costly and subject to mechanical failure. We present a morphing airfoil concept, which passively controls airfoil pitch through elastic deformation. As a justification of the concept, a two‐dimensional fluid‐structure interaction routine is used to simulate the aeroelastic response of a symmetric NACA 0012 blade subjected to variable loading. The results suggest that the morphing blade can be designed to offer superior average lift to drag ratios over a specified range of attack angles by up to 4.2%, and possibly even higher. This infers that the morphing blade design can increase the power production of WEC systems while conceivably reducing cost because the passive deformation of the morphing turbine does not require active control systems that come at an added upfront and maintenance cost. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

MW级风力发电机组联合仿真运动分析

根据在Adams系统中建立的MW级风力发电机组的机械模型和Adams与Matlab之间的接口,在Matlab环境中建立了偏航运动、转子运转和变桨运动的控制方法。根据给定机组的参数,研究了机组偏航运动、转子运转和变桨运动在启动阶段的特性。研究发现:在启动过程中,由于变桨运动、偏航运动和发电机转子旋转同时存在,将产生陀螺效应和惯性力,并施加在运动副上;即使对发电机施加冲击和干扰,控制模型都能够保证风力发电机组稳定运行;由于牵连运动、相对运动和惯性力的影响,转子角速度、偏航运动和变桨运动均不可能做到匀加速或匀减速运动。     

带缘板阻尼叶盘系统高速旋转激振试验研究

在燃气轮机高压涡轮叶片上安装缘板阻尼结构可以有效降低叶片振动应力,为了掌握叶片振动特性,进而指导阻尼结构设计,以某船用燃气轮机高压涡轮转子为研究对象,开展带缘板阻尼叶盘系统高速旋转激振试验。设计了缘板阻尼结构形式,开发了雾化油滴喷液激振试验系统;同时,模拟常温环境下的叶片工作载荷,结合试验数据分析获取叶片安装阻尼器前后的动应力变化情况。试验结果表明：所设计的试验系统能够很好地模拟叶片弯曲和扭转共振状态;无阻尼激振试验获取的叶片模态参数与理论计算值相当,试验结果验证了理论计算方法的准确性;安装缘板阻尼器后叶片弯曲振动应力下降明显,存在最优阻尼参数使减振效果最佳;根据叶片幅频响应曲线可以看出,缘板阻尼器使叶片非线性力学特征增强,出现叶片振动能量相互传递的现象。     

温度变化对水电站地下厂房机墩组合中风罩应力的影响

风罩作为地下厂房机墩组合中的重要构筑物,在电站运行期受力特性及其复杂。主要研究温度荷载对风罩应力的影响特征,为结构体型优化及配筋设计提供依据。采用有限元数值模拟方法进行分析,模型选取了机墩根部至发电机层楼板的范围,考虑最不利情况下的运行状态。结果表明,对风罩这种薄壁结构,温度荷载是决定其应力的最主要因素,而且温度荷载不仅对应力的大小起决定因素,对应力的分布形式也有影响,应采取有效措施尽量减小风罩的内外温差,在结构和配筋设计时重视温度荷载的严重影响。     

新型变桨风力机结构设计与性能分析

为满足分布式电网发展要求,提高小型风力机风能利用率,防止大风条件损坏风力发电设备,文章设计了一种应用于小型风力机的新型主动统一变桨调节装置。文章介绍了装置的基本构造与工作原理,利用熔融沉积3D打印技术制作小比例模型验证了变桨装置的可行性,并通过数值模拟方法对功率输出性能及风轮载荷进行了模拟分析。模拟结果表明:通过适当调节桨距角大小,可有效控制风力机输出功率保持在额定功率值附近,且高转速条件下增大桨距角对功率输出性能有较强抑制作用;叶片应力集中区域主要在叶根及叶片中部靠近前缘部位,在功率调控过程中,随着桨距角与风速的增加,应力集中区域由叶中向叶根转移,最大应力值总体呈下降趋势。