风力发电机叶片多裂纹随机扩展和损伤容限研究

考虑多裂纹间的相互干扰,建立含多裂纹结构的随机扩展模型,基于裂纹扩展随机过程的微熵最大化原理,采用随机梯度下降法推导出裂纹扩展速率的迭代式,从而计算出多裂纹扩展至指定尺寸所需加载循环数,并证明其与自然梯度算法等同且不受学习率的影响。通过风力机叶片裂纹扩展试验,记录多裂纹和单裂纹扩展时的扩展曲线,发现多裂纹干扰对主裂纹扩展有抑制作用,并用显微镜观察裂纹的金相组织,分析多裂纹增加断裂能的主要原因是层间纤维的强介质作用。最后在损伤容限分析中比较工程估算值、试验值以及该文提出方法的预测值,结果表明,该文所提出的方法可提高裂纹扩展寿命预测精度,提供风力机叶片损伤容限分析方法。     

风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命评估

在叶轮气动载荷模型、柔性传动链模型和齿根弯曲应力模型的基础上,建立了随机风速下风力机传动链齿轮齿根疲劳裂纹扩展剩余寿命计算模型,对不同风速下的齿根弯曲应力进行了计算,分析了随机载荷下裂纹的扩展速率.对1.5 MW风力机太阳轮齿根疲劳裂纹的扩展进行了分析.结果表明:风力机齿轮齿根疲劳裂纹扩展寿命主要受风载荷影响,且紧急制动等冲击对裂纹扩展后期的影响不可忽视.     

基于S-N曲线和断裂力学的浮式风力机张力腿疲劳评估

针对风浪流联合作用下张力腿型浮式风力机筋腱的疲劳问题,提出一种基于S-N曲线与断裂力学的疲劳评估方法。通过对浮式风力机进行时域耦合分析获取张力筋腱应力时程,基于裂纹萌生S-N曲线、线性累计损伤理论评估裂纹萌生阶段寿命,并基于断裂力学Forman公式评估未穿透裂纹扩展、穿透裂纹扩展2阶段寿命。以5 MW Seastars式风力机平台为例,验证了该方法的可行性,并研究了顶张力、风浪夹角对疲劳寿命的影响。计算结果表明:穿透裂纹扩展寿命占总寿命比例极小;总寿命随预张力增大而减小,且对风浪流角度的变化较为敏感。     

复合材料风力机叶片表面裂纹扩展的模拟研究北大核心CSCD

针对风力机叶片表面裂纹扩展对叶片产生危害的问题,文章对1.5 MW复合材料风力机叶片在19 m/s风速下的应力分布进行了流固耦合计算,发现叶根和叶中位置易产生裂纹。基于扩展有限元(XFEM)研究叶片表面裂纹受力后的扩展问题,90°裂纹的扩展速率最快,叶片表面裂纹主要沿弦向进行扩展。当时间步长为100时,均质和复合材料叶片表面裂纹扩展时的最大应力分别为127.50 MPa和65.34 MPa,且裂纹仅在后者的表层进行扩展,这说明复合材料能阻碍裂纹扩展对叶片的破坏,减少应力集中。同时裂纹在叶片内部的扩展更危险,初始尺寸越大的裂纹,扩展时裂尖越容易产生应力积累。     

基于WPT-SVD-KELM的大型风力机叶片表面裂纹识别方法研究

为准确识别风力机叶片表面裂纹位置和长度，提出基于小波包-奇异值分解-核极限学习机（WPT-SVD-KELM）的裂纹识别方法。搭建风力机某典型叶片裂纹识别平台，开展正常叶片和含裂纹叶片的模态实验和变桨实验，获取不同工况下正常叶片和含裂纹叶片的振动信号。利用频响函数研究裂纹位置对振动信号幅频响应的影响，从而准确识别叶片表面裂纹位置，利用WPT-SVD提取风力机叶片表面裂纹振动信号的时频特征，定义参数kr表征裂纹长度的变化，并将特征参数导入优化后的KELM，从而识别风力机叶片表面裂纹长度。     

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。     

含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象，将切变来流作为入口条件，基于流固耦合原理，分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知，裂纹主要集中于叶根（r/R=0.10截面）和叶中（r/R=0.50截面）后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大，额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大，为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大，为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力，气动载荷则主要作用于叶中，风速越大，叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时，沿弦向分布的裂纹，其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2；对于叶中处裂纹而言，若使叶片产生失效，裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。     

扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析

基于漩涡法与实验条件修正入流条件,结合延迟分离涡湍流模型,对水平轴风力机气动特性进行数值模拟。分析风力机压力系数、截面涡量和功率特性,并与均匀入流和实验数据对比。研究表明,修正的扰动入流对风力机叶片叶根处截面压力系数的影响比均匀入流更大,但随翼展方向趋于一致;扰动致使在叶片0.57~0.71 R处产生更大的涡量损失,小于额定尖速比时输出功率更接近实验值。基于漩涡法的风力机气动特性模拟方案,可更有效地应用于风力发电预测研究。     

风力机叶片动态特性与分形维数关系研究

为探究风力机叶片动态特性与分形维数之间的关系,基于湍流风谱模型Von Karman和NWTCUP生成2种风场,通过多体动力学软件FAST仿真出不同风速条件下的风力机叶片挥舞和摆振时域动态响应,采用计盒维数法求解其分形维数。用发电机输出功率验证分形维数描述风力机叶片动态特性的可行性。结果表明:挥舞时域动态响应的分形维数随风速的增大逐渐减小,而摆振则相反,当达到额定功率时挥舞和摆振的分形维数变化都较小;相同风速下不同湍流风谱模型的功率虽几乎相同,但其对应的分形维数却不同,表明不同的湍流风谱模型有其特定的分形维数。     

NiCrMoV型汽轮机转子焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值试验研究

疲劳裂纹扩展门槛值是汽轮机低压转子损伤容限设计中不可或缺的性能参数,对NiCrMoV型汽轮机转子焊接接头的疲劳裂纹扩展门槛值开展了试验研究,分析了疲劳门槛值的变化规律及显微组织对扩展路径的影响。发现在较低的应力比条件下,焊缝区材料的疲劳裂纹扩展门槛值略高于母材,且随着应力比的增大,母材和焊缝材料的疲劳门槛值线性降低,且两者差异逐步减小。在较大应力比时,疲劳裂纹继续扩展困难,此时母材和焊缝的疲劳门槛值几乎相等。母材中疲劳裂纹扩展被细小弥散的碳化物抑制,焊缝中岛状的M/A组元也对裂纹扩展起到较大的抑制作用。本文的研究成果可为转子损伤容限设计提供直接的试验数据。     

基于经验小波变换和关联维数的风力机齿轮箱故障诊断

针对齿轮箱故障信号的非线性和非平稳性特征,提出基于经验小波变换(Empirical Wave-letTransform,EWT)、关联维数(Correlation Dimension,CD)和支持向量机(Support Vector Ma-chine,SVM)的故障诊断方法.首先通过EWT对风力机齿轮箱信号进行分解,得到若干本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)分量,再采用G-P算法求取各组IMF分量的关联维数,并将各组关联维数特征集输入SVM中完成故障识别及分类.结果表明:振动信号关联维数与嵌入维数呈正相关,且正常信号与故障信号的关联维数区分度不明显,通过SVM能对其进行精确识别和分类;该方法能有效提取系统故障非线性特征,故障识别准确率高达100％.     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

锻造对汽轮机叶片钢力学性能的影响

通过对汽轮机叶片钢1Cr12Ni3Mo2VNbN的原钢锭及其经锻造后的叶片进行性能热处理,以制取两种状态的试样,系统研究了锻造历史对示波冲击、低周疲劳、疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性的影响.结果表明,材料经锻造后,总的冲击功不变,但裂纹形成功随之增大,构件的安全性增加,疲劳性能得到改善,△KIC值降低0.8%,疲劳裂纹扩展速率明显缓慢,J积分值大幅度增大,J积分较KIC有更好的适用性.     

风力机玻璃钢叶片疲劳寿命分析

该文对大型风力机玻璃钢叶片疲劳寿命的工程估算方法进行了研究。运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布；根据有限元模态叠加法，计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动态应力响应；介绍了玻璃钢材料的疲劳破坏过程、破坏准则，探讨了玻璃钢材料疲劳性能及疲劳寿命估计方法；最后，运用Palmgren Miner的线性疲劳损伤累积法则提出了一种玻璃钢叶片安全寿命估计方法。通过所设计的1．5兆瓦变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明，本文提出的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法是可靠和实用的。     

国产P92钢低周疲劳性能与断裂特征研究

采用疲劳性能测试方法研究了应变控制下国产P92钢室温和600℃高温下的低周疲劳性能,并采用扫描电子显微镜对疲劳试样断口形貌进行了观察.结果表明:国产P92钢具有循环软化特征,应变幅和温度的提高是造成材料单轴疲劳寿命降低的主要原因;2种温度下疲劳裂纹均起源于表面,裂纹扩展为条纹机制;高温下具有较低的疲劳寿命是与氧化损伤、裂纹萌生扩展速率和材料的塑性变形密切相关的.     

声发射技术在风力机叶片故障检测中的应用研究综述

归纳了风力机叶片基本故障类型和常用检测技术,总结了国内外风力机叶片损伤的声发射信号特征分析与提取、声发射源定位等关键技术的研究成果。通过综述声发射技术在风力机叶片故障检测的应用,指出国内外有关声发射产生机理和原始信号特征的理论关系研究有待扩充;同时,风力机叶片复合材料声波传播规律和波形转换规律的理论研究也是下一步工作的重点。     

基于Ansys与nCode联合仿真的风力机叶片疲劳分析

为了研究风力机叶片疲劳破坏问题,文章建立了某1.5 MW商用叶片模型,通过Ansys与nCode软件联合仿真,对其进行了疲劳寿命分析。为进一步研究叶片疲劳损伤规律,对叶片在各个疲劳载荷工况下的损伤进行了分析,结果表明:疲劳损伤主要位于叶根前缘和前缘与主梁连接处,并且主要出现在风速较大、发生次数较多、纵向湍流强度较强的工况;叶片总体疲劳寿命约为24.5 a,满足疲劳强度设计要求。     

风力机叶片动力特性实验台设计

设计开发了一种风力机叶片动力学特性实验台,可以进行风力机叶片的静载荷实验、模态测试、叶片损伤测试、模拟桨叶结冰附着物载荷实验、桨叶疲劳载荷实验以及破坏性实验等。介绍了实验台的设备组成、结构特点以及该实验台的主要功能,在实验台上进行了风力机叶片的静态载荷实验和模态测试,得出了实验用风力机叶片的六阶模态参数,利用MAC、MOV两种模态判定准则对试验结果进行了验证。     

大型水平轴风力机塔筒焊缝强度分析

为实现某大型水平轴风力机塔筒截面焊缝强度设计,介绍了DIN18800-4应力计算的工程算法,针对2.0 MW直驱型风力机塔筒某一截面进行极限强度校核。根据疲劳载荷分类,提出等效疲劳损伤和时序疲劳损伤两种不同计算方法。推导了等效疲劳载荷、等效疲劳应力与等效疲劳损伤的计算公式。针对某一截面对等效疲劳损伤和时序疲劳损伤进行分析计算和结果对比,给出两者等价性条件与适用条件。结果表明,被校核的截面焊缝满足强度设计要求。提出的方法在大型水平轴风力机塔筒截面焊缝极限强度与疲劳强度分析上具有可行性和有效性。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。