风电叶片双向电动往复式疲劳加载系统振动特性分析

基于电动往复式激振器,设计一种兆瓦级风电叶片双向疲劳加载试验系统。针对双向疲劳加载时出现振动耦合问题,建立风电叶片双向激振疲劳加载系统的动力学模型,并在此基础上建立仿真模型数值仿真系统耦合过程,得到在激振频率、安装位置影响下的系统耦合过程及基本规律。最后,搭建风电叶片双向激振疲劳加载试验系统,试验验证理论分析及仿真结果,为双向疲劳加载系统的控制方法提供依据,也为风电叶片疲劳试验提供参考。     

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。     

单点疲劳载荷作用下的风电叶片振动特性研究

设计一套风电叶片单点疲劳加载系统,基于拉格朗日方程推导出单点疲劳载荷作用下的风电叶片振动数学模型,得到影响叶片振动特性的一系列因素。以一阶固有频率为0.92 Hz的风电叶片为被控对象,利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型,得到不同加载频率下风电叶片的振动特性。当加载频率为0.80、0.85 Hz时,加载点振幅均小于300 mm;当加载频率增大到0.95 Hz时,振幅达到较大值,约为400 mm,近似发生共振,能满足疲劳试验要求;当加载频率继续增大到1.00 Hz和1.20 Hz时,振幅反而衰减到220 mm和100 mm。最后进行单点疲劳加载试验,得出试验结果和仿真结果规律基本吻合,验证了数学模型和仿真模型的准确性。     

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。     

基于额定载荷的10 MW海上风电叶片铺层优化

以某10 MW海上风电机组叶片为模型,基于经典层合板理论、欧拉伯努利理论和复合梁剪切流动理论,采用粒子群优化算法,对额定载荷下叶片结构铺层进行仿真优化。在满足对最大应力、弯曲、偏转和叶片固有频率的条件下,优化复合铺层厚度和主梁弦向位置,最小化叶片质量。优化结果:叶片质量减少9.66%,轴向刚度、挥舞刚度和扭转刚度均有所提升,Tsai-Wu强度因子远小于1,不会造成静态失效和疲劳损伤。     

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。     

1.5 MW风电叶片多轴疲劳寿命分析

针对风电叶片极易发生疲劳破坏的现象,以1.5 MW风电叶片为研究对象,利用GH Bladed和ABAQUS分别进行叶片的载荷和危险截面的应力计算,基于复合材料多轴疲劳理论,对额定风速下叶片的多轴疲劳寿命进行分析,并将分析结果与单轴疲劳寿命分析结果进行对比。结果表明:传统的单轴疲劳寿命模型会过高估计叶片的疲劳寿命,多轴疲劳寿命分析方法能较准确地对风电叶片的疲劳寿命进行估计。因此,该方法对风电叶片的多轴疲劳寿命评估及可靠性设计具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

钝尾缘叶片有限元模态与实验模态的对比研究

风力机叶片的模态分析是保障风力机整机稳定性及其可靠性分析的重要基础。对中国科学院工程热物理研究所研发的100kW钝尾缘实验叶片进行了有限元模态及实验模态研究,得出了叶片前几阶模态的振型及频率,探讨了对叶片稳定性影响比较显著的模态特性,通过对有限元模态及实验模态结果对比,分析了产生误差的原因及产生共振的可能性,为风力机叶片的稳定运行提供了理论依据。     

A practical approach to fracture analysis at the trailing edge of wind turbine rotor blades

Wind turbine rotor blades are commonly manufactured from composite materials by a moulding process. Typically, the wind turbine blade is produced in two halves, which are eventually adhesively joined along their edges. Investigations of operating wind turbine blades show that debonding of the trailing edge joint is a common failure type, and information on specific reasons is scarce. This paper is concerned with the estimation of the strain energy release rates (SERRs) in trailing edges of wind turbine blades in order to gain insight into the driving failure mechanisms. A method based on the virtual crack closure technique (VCCT) is proposed, which can be used to identify critical areas in the adhesive joint of a trailing edge. The paper gives an overview of methods applicable for fracture cases comprising non‐parallel crack faces in the realm of linear fracture mechanics. Furthermore, the VCCT is discussed in detail and validated against numerical analyses in 2D and 3D. Finally, the SERR of a typical blade section subjected to various loading conditions is investigated and assessed in order to identify potential design drivers for trailing edge details. Analysis of the blade section model suggests that mode III action is governing and accordingly that flapwise shear and torsion are the most important load cases.Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

加装后缘小翼的垂直轴风力机输出特性研究

为了研究H型垂直轴风力机后缘加装小翼的输出特性变化规律,文章以NACA0012翼型叶片为例,采用风洞试验与数值模拟的方法,对加装后缘小翼的风力机进行了研究。模拟结果表明,加装后缘小翼的风力机的单叶片扭矩系数及功率性能要优于未加装小翼的风力机,整体功率较未加装小翼的风力机略有提升。风洞实验结果表明:加装后缘小翼可以提高风力机的最大输出功率,其中径长比对于加装小翼的垂直轴风力机功率提升的影响较大;当转速小于300 r/min时,安装径长比为0.6的后缘小翼的风力机输出功率最高;当转速超过300 r/min时,径长比为0.4的后缘小翼的风力机输出功率最高。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

Efficient incorporation of fatigue damage constraints in wind turbine blade optimization

Wind turbine design is a challenging multidisciplinary optimization problem, where the aerodynamic shapes, structural member sizing, and material composition must all be determined and optimized. Some previous blade design methods incorporate static loading with an added safety factor to account for dynamic effects. Others incorporate dynamic loading, but in general limit, the evaluation to a few design cases. By not fully incorporating the dynamic loading of the wind turbine, the final turbine blade design is either too conservative by overemphasizing the dynamic effects or infeasible by failing to adequately account for these effects. We propose an iterative method that estimates fatigue effects during the optimization process while quickly converging to the true solution. We also demonstrate an alternate approach where a surrogate model is trained to efficiently estimate the dynamic loading of the wind turbine in the design process. This surrogate model, once trained, was then incorporated in the optimization loop of the wind turbine blade. In contrast to the iterative method, there is significant upfront computational cost to construct the surrogate model. However, this surrogate model has been generalized to be used for different rated turbines and can predict the fatigue damage of a wind turbine with less than 5% error for baseline wind turbines of the same family. These methods can be used instead of the more computationally expensive method of calculating the dynamic loading of the turbine within the optimization routine.     

弯扭耦合作用下变频风机叶片断裂分析与治理技术研究

针对某变频运行风机发生的叶片断裂故障,采用无线应变测试技术获取了不同工况下转轴扭矩脉动特性。建立叶轮叶片有限元模型,获取风机各阶模态特性;将实测脉动扭矩作为激励,计算扭矩脉动下叶片所承受的应力特性。结果表明：电机输出谐波可能激发叶片轮盘弯扭耦合共振,导致叶片局部应力增大,进而疲劳断裂;叶片顶部加之字形加强筋可以有效减小叶片振动,预防断裂。     

风力机翼型尾缘厚度对粗糙敏感性影响的研究

综合应用涡面元和RANS方法,研究DU93-W-210、DU91-W2-250及DU97-W-300这3种常用翼型经尾缘修型后尾缘厚度对粗糙敏感性的影响.在涡面元方法中采用设置固定转捩和在RANS方法中采用设置锯齿形边界条件的方式来模拟翼型前缘污染,研究发现前缘污染造成翼型吸力峰降低,引起翼型气动性能下降,然而随着尾缘...     

基于应变模态的风机叶片损伤诊断研究

针对多种受损工况下的风机叶片损伤诊断问题,文章基于模态理论对受损前和受损后的风机叶片进行位移和应变模态分析.首先建立风机叶片的三维模型并对其进行有限元分析;然后模拟叶片两位置不同的损伤状况,比较各工况下位移模态曲线、应变模态曲线和应变模态差分曲线在受损前后的变化规律,进而对叶片进行损伤辨识;最后选取应变模态变化率和由差...     

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。