风电叶片多点分级静力加载无模型自适应控制及实现

兆瓦级风电叶片静力加载试验目前一般采用多点同步逐级加载的方法实现。为解决静力加载试验多点同步协调控制及各加载点力耦合的问题,提出了一种不基于加载对象数学模型的静力加载自适应控制算法,并通过伺服绞车+力传感器+三坐标测量仪+控制采集装置搭建了试验系统,通过PLC根据算法调整伺服电机的转速以实时调整加载载荷的变化率,从而实现各加载点载荷同步、匀速、稳定变化。加载系统采用竖向加载方式,在满足试验要求的基础上大大节约了占地面积,经现场试验,加载时间控制在3 min以内,加载同步性控制在1%以内,最大载荷可达300 kN,对各种叶片适应性良好,具有一定的通用性。

MW级风力发电机组载荷测试方法研究

风力发电机组塔筒屈曲、叶片折断的主要原因是风力发电机组的实际载荷过大、疲劳强度不够等。为了避免此类情况发生,需要对风力发电机组的载荷情况进行测试。风力发电机组载荷测试是风力发电机组型式试验之一。风力发电机组各个部件的载荷直接影响到风电机组的寿命与安全。载荷测试可以让风电机组制造商与风电场运营商了解风力发电机组在不同的载荷工况下各个部件的结构响应情况。基于IEC 61400-13标准,介绍了一种风力发电机组载荷测试方法,并给出了部分测试结果。测试结果表明,该测试方法的精度可以满足相关标准的要求。

风机叶片静载荷和模态测试技术

对近期国内外在风机叶片静载荷测试和模态测试方面的研究成果、测试标准和测试机构进行了评述。

大型风力机全机风振响应和等效静力风荷载

建立新一代超大功率风力机系统,考虑风轮离心力的"风轮-机舱-塔体-基础"一体化有限元模型,输入采用基于谐波叠加法和叶素-动量理论计算的考虑风轮旋转、塔架-风轮模态和气动相干效应的脉动风荷载;结合考虑结构背景、共振及耦合项的风振精细化计算方法,研究风力机塔-轮系统的风振响应、等效静力风荷载(ESWL)和动力放大系数的分布特性.结果表明:新一代大型风力机塔-轮系统的风振呈现多模态耦合、多振型响应和多目标等效3个显著特征,其中塔架中上部和风轮由共振响应主导,塔架底部背景和共振响应相当,背景和共振交叉项影响不能忽略.

风电叶片单点疲劳加载过程数值仿真与试验

设计了一套风电叶片单点疲劳加载系统,基于拉格朗日方程建立了振动耦合数学模型,对振动特征规律(叶片振幅、电机电流)分别进行数值仿真。当驱动频率与叶片固有频率偏差较小时,固存的机电耦合现象会导致叶片振幅稳定,若偏差增大,叶片振幅则发生剧烈波动。加载源电流跟随叶片振动产生周期性波动,且转速越大,等负载下的电流相对越大,共振时电流达到最大。建立了一套单点疲劳加载试验系统,对振动过程中的叶片振幅和电流进行测试。试验结果验证了数学模型与仿真模型的准确性,该结论为疲劳加载解耦控制算法的制定提供了理论依据。

海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验数值仿真

采用数值模拟手段,对海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验进行仿真,其中,仿真试验数值模型中桩土之间设置接触单元对桩土相互作用特性进行模拟。对仿真试验结果的处理与分析表明:桩土之间接触单元的设置更为真实地描述了桩土接触的性状;计算得到的p～y曲线较与一些已有方法的结果相比存在差异。

静力载荷作用下的风电叶片空间轨迹精确测量模型

采用几何变换方法推导简单、精准的三维空间轨迹跟随模型,能同时测量3个方向的精确挠度变化,并开发数据测量系统。以aeroblade2.5-59.5风电叶片为例进行静力加载试验,采用该测量系统和激光跟踪仪同时对叶尖进行轨迹测量。试验结果表明该系统能很好地跟随叶片尖部的空间变化轨迹,测试结果准确,3个方向的最大误差率仅为0.98%、1.00%和0.88%,具有很广阔的工程应用前景。

风电叶片全尺寸静力试验加载力协调控制算法

为了消除风电叶片全尺寸静力试验过程中加载力耦合效应,首先搭建一套多节点静力加载试验系统,通过现场试验得到加载力之间的耦合规律。在此基础上采用动态主令方法确定最慢加载节点,以加载力误差及其变化率作为输入变量,以电机转速作为输出控制变量,设计模糊协调控制算法,最后以aeroblade2.0-48.8风电叶片最小面向(min flapwise)为被控对象进行加载试验。试验结果表明,该协调控制算法能保证4个节点的加载力始终保持均匀变化,整个加载过程的控制误差分别小于±3、±3、±4、±4 kN,且在100%阶段时,加载力均能较好地保持在设定值,可验证该控制算法应用于风电叶片全尺寸静力加载试验的可行性。

兆瓦级风机叶片静力加载过程D-MFAC控制

为了消除静力加载过程中的节点牵引力耦合,将无模型自适应控制(MFAC)算法引入到兆瓦级风机叶片全尺寸静力加载领域.通过分析系统的输出特性,将现场静力加载经验构造成一个D函数,设计基于D函数补偿的D-MFAC控制算法,给出算法流程,并证明该算法具有快速收敛性.将D-MFAC算法成功应用于aeroblade 3.0-55风机叶片全尺寸静力加载试验.试验结果表明:加载过程中4个加载点的牵引力能保持均匀、协调变化,过程误差不超过±4kN,特定阶段的误差率小于1%.该算法有效地消除了静力加载过程中的牵引力耦合,实现了风机叶片的平稳加载.

海上风电大直径单桩基础灌浆连接段轴向静载荷试验

灌浆连接段是海上风机大直径单桩基础的重要组成部分,其承载性能直接影响到基础稳定性。借助模型试验手段,以海上风机大直径单桩基础灌浆连接段为研究对象,针对灌浆连接段长度、剪力键设置、灌浆连接段形状等设计参数,确定"较短无剪力键"、"较短有剪力键"、"较长有剪力键"、"锥形有剪力键"4种模型试件,开展了轴向静载荷作用下的模型试验,研究了各设计参数对于灌浆连接段承载性能的影响。结果显示:在轴向静荷载作用下,锥形有剪力键试件承载力最优,较长有剪力键试件次之,较短无剪力键试件最差。证明了剪力键设置以及灌浆连接段的锥形构造对于提高大直径单桩灌浆连接段轴向承载性能的作用,为实际工程设计提供了技术参考。

风电叶片单点疲劳加载试验振动自同步特性研究

针对风电叶片单点疲劳加载试验过程中的振动自同步现象,基于拉格朗日方程推导出单加载源与风电叶片振动过程中的数学模型,得到振动自同步现象的影响因素,并利用相平面法将其转化为自治系统。利用Matlab/Simulink建立仿真模型对振动自同步过程进行数值仿真,得到不同初始相位差作用下的振动自同步规律。最后搭建了一套风电叶片单点疲劳加载试验系统,以此来检验数学模型与仿真模型的正确性。试验结果表明,在加载源回转驱动频率与叶片固有频率一致前提下,当两者的初始相位差小于π/20时,两者能产生振动自同步现象,表现为叶片振幅最大且稳定;初始相位差为π/8时,两者能产生较弱的振动自同步现象,叶片振幅在波动一段时间后逐渐趋于稳定,但是幅值较小;初始相位差为π时,两者不能产生振动自同步,表现为叶片振幅不稳定且出现絮乱。以上结论为后续的疲劳加载试验的控制算法制定提供了理论依据。

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。

MW级风机叶片单点疲劳加载系统设计、建模及试验

设计一套偏心质量块驱动的风机叶片单点疲劳加载系统。以叶片的最大挥舞方向振动为例,将系统简化为两自由度模型、建立动力学方程。采用异频驱动模式进行仿真试验,得出叶片加载点振幅最终会趋向稳定状态的结论。根据能量守恒定律,推导出偏心质量块回转驱动系统的能量守恒关系式,得出补给的能量与偏心质量块质量和臂长均成正比。最后构建一套areoblade1.5-40.3风机叶片疲劳加载系统,结果表明,在偏心质量块质量和臂长一定的条件下,叶片加载点振幅会逐渐趋于稳定;回转驱动频率越接近于叶片的固有频率,加载点振幅越大;当两者频率存在一定差异时,振幅最终会趋于稳定,但幅值会急剧减少。

低速冲击载荷下的风电叶片刚度退化规律

该文主要研究低速冲击载荷下叶片的刚度退化规律。首先用相邻2个时段风速的线性增量来定义风速突变量并获得低速冲击载荷,然后通过实验获得低速冲击载荷下的损伤规律,最后基于实测风速对疲劳试验结果进行修正,并对服役1年内的叶片刚度退化量进行分析并与实测记录进行对比。结果表明:考虑低速冲击损伤时,疲劳试验结果更准确且在役叶片刚度退化分析结果更接近实测值,这有助于合理评估叶片疲劳性能和准确分析在役叶片刚度退化量。

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。

全尺寸风机叶片疲劳加载系统设计及试验研究

为了验证风机叶片在设计使用寿命内能够承受设计规定的疲劳载荷,获得叶片性能参数,设计了一套风机叶片疲劳加载系统。采用模型优化配重块方法减小叶片弯矩分布误差,模糊自整定PID参数进行控制,进行风机叶片全尺寸疲劳试验,完成频率搜索及载荷谱加载测试过程。试验结果表明,系统能以搜索步长为0.01 Hz完成共振频率搜索与跟踪,加载维持峰值变化率在试验要求的误差范围内(5%),叶片根部的弯矩误差不超过±0.4%,检测效率得到提高,降低了设备成本,为风机叶片检测与分析提供了一种实用手段。

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。

风电叶片两点疲劳加载系统振动耦合特性

针对风电叶片单点疲劳加载方法驱动能力不足且试验周期较长的问题,设计一种新型两点疲劳加载测试系统。通过对加载系统进行合理简化,建立风电叶片两点疲劳加载振动系统的机电耦合数学模型。利用Matlab/Simulink软件建立加载系统的仿真模型,对加载系统的机电耦合过程进行仿真,得到不同电动机转速、不同初始相位差对加载系统机电耦合过程的基本影响规律。最后搭建了一套小型风电叶片两点疲劳加载试验系统,得到试验结果与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。为后续两点疲劳加载试验的精确控制以及叶片的优化设计提供了理论依据。

汽轮机静叶栅变冲角性能的实验研究

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶叶栅的变冲角气动特性,为高压静叶叶片设计提供依据,对原型和改型两套环形叶栅在低速风洞中进行了不同冲角工况下的吹风实验研究。实验结果表明:改型叶栅降低了叶栅的流动损失,具有更好的变冲角特性。

风机叶片旋转疲劳加载系统研究

设计了偏心旋转质量块疲劳加载系统,对风机叶片疲劳加载试验传动系统中关键参数进行了分析及匹配优化,使得系统传动效果最优化。采用激光传感器测距,虚拟仪器开发软件实现信号的采集读取、分析运算、显示存储及通信控制,PLC执行相关程序算法对频率搜索跟踪、输出控制,完成叶片疲劳加载测试过程。试验结果表明:疲劳加载系统具有足够的安全性和可靠性,达到了较好的控制效果,降低了设备成本,为风电叶片检测与分析提供一种的实用手段。