基于lamb波在氮化硅陶瓷叶片及其作摩擦材料镀层传播特性的研究

氮化硅陶瓷以其高强度、耐磨损及高化学稳定性等优越性能被应用于燃气轮机涡轮的静叶片和金属基氮化硅陶瓷摩擦材料中。其应用的关键是避免制备过程中形成的缺陷。利用Lamb波具有传播距离远、检测速度快的特点实现氮化硅陶瓷静叶片和金属基氮化硅陶瓷摩擦材料缺陷检测。采用二分法绘制lamb波在燃气轮机氮化硅陶瓷涡轮叶片和金属基氮化硅陶瓷摩擦材料中的频散曲线,并给出了lamb波检测其缺陷时选择的模态和频厚积范围,应该选择能量高、波形好、不易发生模式转换的模态,为实践检测氮化硅陶瓷涡轮叶片和金属基氮化硅陶瓷摩擦材料缺陷提供理论依据。

Lamb波检测法及其在风机叶片结构健康监测中的应用

叶片是风力发电机最为关键的部件之一,由于其所处自然环境相对恶劣,服役工况复杂,导致其易出现各种形式的损伤,且损伤后维护更换的费用高昂。为解决这一问题,提高风机叶片耐久性的最好方法是应用各种结构健康监测技术对叶片的状态进行实时监测。Lamb波检测方法以其独有的特性和优点,在风机叶片的结构健康监测研究中得到广泛应用。综述了Lamb波检测方法的基本原理及其在风机叶片结构健康监测中的应用概况,并探讨了今后需要关注的问题。

基于Lamb波的风电叶片复合材料声发射源定位研究

声发射波在风电叶片薄板结构中传播时产生的多模态效应及频散现象使得波速的测定较为困难,导致声发射源定位误差过大.针对以上问题,从声发射波传播的物理机制出发,利用完备总体经验模态分解(CEEMD)结合Lamb波理论对风电叶片复合材料在不同应力状态下产生的声发射波进行断铅实验研究.研究结果表明:作用于叶片薄板结构的应力方向不同,将会产生不同频率、不同声速的应力波.垂直应力主要激发出弯曲波,该波波速较低(约1357 m/s),幅值衰减较快,频率主要集中于50 kHz左右;平行应力主要激发出扩展波,该波波速较高(约3634 m/s),幅值衰减较慢,频率主要集中于150 kHz左右.扩展波无频散效应且衰减较慢,更加适合风电叶片薄板结构声发射源定位.

风机叶片结构的Lamb波损伤成像监测

在分析主动Lamb波损伤监测机理的基础上,研究了面向实际风机叶片结构的Lamb波损伤成像监测技术与系统。给出了监测系统的基本框架和各模块演示系统的实现方案,采用压电阵列以及主动Lamb波的RAPID层析成像技术,在真实叶片结构上研究典型结构损伤的在线监测与评估,并进行了试验验证。结果表明,监测系统可以实现现场在线监测,同时能够直观地展现损伤的发生、定位等信息,在风机叶片结构的运用和维修中具有较好的应用前景。

组合载荷下海上风机塔架受力特性数值分析

研究组合载荷下海上风机塔架的受力特性。基于江苏启东海域6 MW海上风机资料,采用GH Bladed软件开展组合载荷下海上风机塔架的受力特性数值模拟,得到以下主要结论:与风载荷作用相比,在风载荷+波浪载荷组合作用下,风机塔架基础底面所受峰值剪力提升72.0%,峰值弯矩提升8.3%;波浪载荷对基础所受剪力和弯矩的影响显著,在相对波高为4时,基础底面所受相对剪力和相对弯矩分别为3.04和1.44;与风载荷作用相比,在风载荷+地震载荷组合作用下,风机塔架基础底面所受峰值剪力提升76%,峰值弯矩提升21%。研究成果可为启东海域海上风机设计及施工提供理论支撑。

海上漂浮式风电机组风波载荷计算与分析

以海上大型漂浮式风电机组三浮桶式支撑结构为对象,考虑风波联合作用,借助叶素-动量理论和线性波理论,联合风载荷和波浪载荷模型构建了风波联合载荷模型。计算过程中,考虑了风电机组不同的运行工况,依据浮桶直径与波长的比值来确定波浪载荷适用的计算模型(Morison理论与绕射理论);得到了不同工况、不同环境参数和结构参数条件下的载荷结果,分析了风波载荷的变化特征。

层状结构中的超声传播理论及其在风力机桨叶除冰中的应用

探索超声波对覆冰桨叶的作用机理,利用势函数推导出复合板层中各层界面应力的计算通式。根据相似原理,在有限元分析软件ANSYS中建立桨叶除冰的物理模型与有限元模型,通过数值计算确定超声波除冰的最佳频率。利用自行开发的6套超声波除冰设备在人工环境实验室中进行桨叶除冰实验,对比数值计算结果与实验结果,验证数值计算数据的有效性,并分析设计的超声波风力机桨叶防除冰原型系统的可靠性。

基于压电陶瓷的风机叶片模型覆冰主动监测

南方山区高湿低温严酷环境易导致冰灾,风机叶片覆冰会导致发电效率降低甚至停机,因此发展高效可靠的风机叶片覆冰监测技术对防冰、除冰具有重要意义。该文提出了一种基于压电陶瓷应力波测量的风机叶片覆冰主动监测方法。开展叶片模型进行模拟覆冰试验,在叶片表面布置伸缩型和剪切型两种压电陶瓷片,根据波动法原理对驱动器输入正弦扫频电压信号作为激励,记录不同传感器在不同结冰厚度下的响应信号,并对测量信号进行小波包能量分析。结果表明,同一压电陶瓷片接收信号的小波包能量与结冰厚度存在明显关系。

风力机叶片挥舞—摆振气弹稳定性分析

根据Euler-Bernoulli梁理论和粘弹性材料的Kelvin-Voigt理论建立风力机叶片挥舞—摆振耦合非线性动力学方程。将位移视为静态位移和动态位移的叠加,进而将非线性动力学方程线性化为动态位移的线性方程,得到叶片耦合振动特征方程。使用基于加权残值的Galerkin方法求解特征方程,分析叶片气弹稳定性,讨论风速、安装角、耦合效应和材料阻尼对叶片颤振稳定性和非线性自激振动行为的影响。结果表明:摆振方向易出现不稳定振动,通过设置安装角,利用挥舞—摆振耦合可以控制不稳定振动,但当安装角太大时,挥舞—摆振耦合会引起不稳定振动。

屋顶安装型风力机塔架风振反应分析

为了研究屋顶安装型风力机塔架在风荷载作用下的动力性能,对该塔架进行风振时程反应分析.建立考虑叶片传至塔架作用力的塔架振动方程,采用引入快速傅里叶变换(FFT)技术的谐波叠加法分别模拟得到叶片和塔架的风速时程,利用叶素理论计算叶片传至塔架作用力.研究屋顶集风效应和叶片旋转对此类风力机塔架风振反应的影响.结果表明考虑屋顶集风效应后塔架的风振反应有一定增强;叶片旋转情况下塔架位移和弯矩显著增加.

风力机叶片三维模型颤振问题

颤振对风力机叶片有巨大破坏力,作为一种典型的气动弹性稳定性问题,在现代风力机的叶片设计中越来越受到重视。建立叶片三维叶型模型和整机振动结构模型,利用振型叠加法计算不同振动模态下的特征频率、阻尼比和振型,得出不同叶片结构参数与颤振的关系。结果表明,叶片型面质心和扭转中心的距离、拍打方向弯曲刚度和挥舞方向弯曲刚度对颤振发生有较大影响。

水平轴风力机叶片的结构设计与有限元分析

设计了一种1.5 MW水平轴风力机叶片模型,运用ANSYS Workbench对叶片模型添加材料属性、划分网格、施加载荷与约束进行有限元分析。进行了叶片在静止状态和有预应力作用两种工况下的结构模态计算,分析了叶片在被施加极限挥舞载荷作用下的表面应力分布情况,计算了叶片的最小模态频率和最大应力分布情况。

风电叶片双轴疲劳加载系统振动分析

多轴疲劳加载可使风电叶片各截面的试验载荷更等效实际所受疲劳载荷,缩短试验周期。针对风电叶片双轴疲劳加载系统,建立系统的动力学模型,列出动力学方程,再对振动体的运动轨迹仿真求解,得出运动轨迹图形。在此基础上,分析系统出现机电耦合的原因。利用试验装置验证,为多轴疲劳系统的应用提供理论依据及试验验证,也为后续的风电叶片疲劳加载试验打下基础。

预应力装配式叶片连接单元状态监测

提出了一种基于压电陶瓷激励与传感技术的预应力装配式风电叶片连接单元的状态监测方法。通过逐级施加螺栓预拉力对连接单元进行安装,再对连接段施加轴心拉力直至试件破坏,将压电陶瓷片粘贴在连接单元两侧分别作为驱动端和接收端,对受力全过程进行监测。比较不同激励信号下各阶段测量信号基于小波包分析的健康指标的变化,发现在连接界面脱开时信号出现明显衰减。该文的方法可实现装配式风力发电机叶片连接段状态的有效监测。

基于数据挖掘的风电机组叶片结冰故障诊断

针对风电机组叶片结冰故障无法精确预测的问题,提出基于数据挖掘的故障诊断方法。该方法首先采用特征筛选算法从SCADA高维数据种提取故障模式最相关的特征,然后结合类别不平衡学习算法处理高度不平衡的SCADA数据集,最后利用四种分类算法建立风电机组叶片结冰故障诊断模型。结果表明,基于随机森林算法的故障诊断模型具有最好的诊断性能和泛化性能,该方法能够实现风电机组叶片结冰故障的有效诊断,对风电机组的维护具有参考指导意义。

对PSDTOMA方法适用性的探究

基于传递率的运行模态分析(TOMA)是一种新颖的模态参数识别技术,其主要特点是能够在有色激励条件下实现运行模态分析。基于功率谱密度传递率的TOMA方法(PSDTOMA)是TOMA中最具实用性的一类方法,仅根据单一荷载条件下的响应信息即可识别模态参数。然而,PSDTOMA技术的普遍适用性一直没有得到系统研究。从理论出发,得到了一些关于PSDTOMA方法应用局限性的结论,数值和物理试验的结果随后验证了结论的正确性。

考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析

基于多数专业风机数值模拟软件只可进行一阶波浪荷载计算这一缺点,文中将以AQWA为基础,利用其可进行二次开发的技术优势,通过实时调用风机气动荷载,实现海上TLP浮式风机分析。分析中,浮式风机平台一阶、二阶波浪荷载由AQWA计算,实时调用的气动荷载由动态链接库提供。该动态链接库主要包含了根据叶素动量定理自行编译的气动荷载计算程序。经过与FAST比较,得知该方法能满足分析需求。垂荡、纵摇力的二阶效应尤为明显。仅计算浮式风机平台波浪荷载时,可以不考虑风荷载的影响,但必须考虑平台运动的影响,波浪荷载主要受纵荡、纵摇运动影响,几乎不受垂荡运动的影响;当研究浮式风机平台运动时,必须考虑风荷载和二阶波浪荷载的影响,二阶波浪荷载使得平台响应在整个频率范围内都明显增大。张力筋腱张力受二阶波浪荷载的作用更明显。

风浪异向下超大型漂浮式风力机动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立OO-Star半潜式平台漂浮式风力机模型,基于叶素动量理论和辐射/绕射理论分别求解风载荷与波浪载荷,模拟不同环境载荷方向下漂浮式风力机动态响应,对比分析不同环境载荷入射角度对其响应特性的影响。结果表明:湍流风入射角度对漂浮式风力机纵荡、纵摇及艏摇运动响应影响较大,而波浪入射角度对横荡和横摇运动响应影响较大,垂荡运动响应几乎不随湍流风和波浪入射角度改变而变化。随湍流风入射角度增加,漂浮式风力机平均发电功率急剧下降,而波浪入射角度对其平均功率几乎无影响。此外,系泊系统中1号系泊拉力随湍流风和波浪入射角度增大逐渐增加,2号系泊拉力逐渐减小,而3号系泊拉力则随湍流风入射角度增加先增大再减小,随波浪入射角度增大逐渐增加。

基于纳秒脉冲反射定位的风机叶片引下线断裂故障检测方法

风机叶片防雷系统故障会严重影响风机的安全运行,多数风机叶片引下线在分支与主引下线的连接处常出现断裂故障。该文基于行波传输原理,提出了一种风机叶片引下线分支点断裂故障的检测与定位方法。首先,通过理论分析和仿真,讨论了纳秒脉冲信号在叶片引下线多分支结构中的传播过程对识别故障反射波的影响;然后,为解决故障波形中故障反射波被掩盖的问题,引入了"差异反推法",并依据故障分支结构处产生的脉冲簇的幅值发生变化这一特点,利用作差将故障反射波提取出来,通过寻找作差波形中的故障反射波来定位故障分支点;最后,对某2.5 MW真机叶片引下线可能出现的所有故障情况进行了多次实验,其结果验证了该文所提方法的有效性。该文提出的方法具有较好的适用性,可用于检测与定位不同型号风机叶片引下线的分支点断裂故障。

大型风力发电机叶片振动测试与分析

近年来发展大容量风电机组成为风力发电行业发展的趋势。为了充分吸收风能,提高发电效率,风电机组叶片质量和长度不断增加,叶片对风电机组运行安全性和稳定性的影响也更加明显。另外风电机组叶片因为结冰或者风速与风向突变导致其振动过大、载荷超出设计极限而断裂的现象也时有发生。为了解大型风电机组叶片振动的基本情况和影响叶片振动强度的相关因素,对某海上风电场一台大型风电机组的叶片振动进行测试,同时收集风电机组环境风速、转速、功率等工况信息。可以发现:风电机组运行过程中叶片摆振方向的振动强度是挥舞方向振动强度的1.3倍左右;摆振方向的振动频率主要集中在叶片2阶固有频率位置,挥舞方向的主要振动频率是风电机组转速的倍频。叶片振动的强度与环境风速、转速和功率都有明显的相关性。研究结果可为大型风电机组控制策略优化提供依据,也可为风电机组叶片振动监测和故障诊断提供参考,同时可丰富大型风电机组叶片的研究资料。