风力机叶片结构分析与铺层优化

根据玻璃钢风力机叶片结构分析的有限元理论,利用大型通用有限元软件ANSYS建立叶片的有限元模型。通过在风力、重力和离心力耦合作用下风力机叶片的静力学分析,检验叶片正常运行时的安全性。通过风力机叶片动力学分析,计算叶片的固有振动频率,判断其能否避免共振,实现正常运行。在此基础上,根据Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片疲劳寿命估计方法,对风力机叶片疲劳寿命进行计算,判断初始设计方案能否满足使用寿命要求。在不增加叶片质量的前提下,对叶片的铺层工艺进行优化,改善了叶片应力,提高了疲劳寿命。     

接触角对风电轴承疲劳寿命的影响

风力发电机偏航轴承结构参数复杂,工作条件特殊,笔者通过仿真确定偏航轴承优化的结构参数,使此种轴承的疲劳寿命长,减少轴承在风场中的维修次数;采用有限元分析方法,建立了风电偏航轴承的三维有限元仿真模型,应用典型的联合载荷和边界条件,对各种不同接触角的轴承模型进行疲劳寿命分析,得出了轴承承载过程中的疲劳安全因子、疲劳寿命的相...     

基于ANSYS兆瓦风力发电机叶片疲劳寿命分析

叶片作为风力发电机组最核心的部件,其主要的损坏形式为疲劳损坏。为了确保风力发电机组运行安全可靠,风电机组设计时,必须对叶片进行疲劳寿命分析。以1.2MW级风电叶片为例,建立了风电叶片和风轮的三维几何模型,依据Weibull两参数分布函数确定某风场风速分布数据。采用ANSYS Workbench软件对风轮模型进行流固耦合数值仿真分析,进而对叶片模型进行线性静态结构分析以及疲劳分析,提取风电叶片在典型风速工况下的危险节点位置及对应的等效应力值。最后结合线性疲劳累计损伤理论计算风电叶片的疲劳寿命。仿真结果表明,实验叶片满足设计要求。     

风力机叶片气动设计与结构研究

采用Wilson模型优化设计水平轴风力机叶片的气动外形;利用有限元软件对玻璃钢叶片在风力、重力和离心力的耦合作用下的静力学、稳定性和动力学进行仿真分析.通过对叶片额定风况下的静力学和稳定性分析,不仅能获取叶片的应力和应变分布,而且可检验叶片设计的安全性和合理性.通过叶片动力学分析,计算叶片的振动频率,判断能否避免共振,实现正常运行.     

风力发电机偏航控制算法的研究与改进

针对水平轴风力发电机的偏航控制系统,通过分析风的简化模型,改进了传统的偏航控制算法。根据风场的风向波动和偏航比Kp(偏航时间与风机运行时间的比值),新算法能自动调整偏航容许误差角α,以确保风力发电机时刻都能够在最佳容许误差角度下工作,既提高风力发电机效率,又保证风力发电机寿命。对简化风模型下风数据的分析表明,该算法有效可行,提高了对风精度,增加了系统的输出功率。     

基于可靠性理论的风电机组偏航轴承寿命预测

应用可靠性理论对大型风力发电机组偏航轴承进行寿命预测.以1.2MW级风力发电机组为例,依据风力发电机组的载荷谱,并且考虑到实际工作过程中机舱底板和塔架的变形对偏航轴承的影响以及偏航轴承摆动的工作状况,利用可靠性设计的方法计算了风力发电机组的可靠性寿命.在失效概率为10%的情况下,偏航轴承的运行时间为1.329×105小时,可靠度达到99.2%.     

新型双叶片旋转臂的设计与研究

设计了一种材料为TC-11钛合金的大直径高转速新型双叶片旋转臂结构,其外形采用儒可夫斯基对称翼型,实现了零升力和低阻力.利用ANSYS Workbench对旋转臂进行静力学分析,满足强度要求。在静力学分析的基础上对旋转臂做了疲劳分析,估算了旋转臂的寿命,结果满足旋转臂设计寿命要求;通过分析敏感特性曲线得出疲劳寿命随应力而变化,应力越大,疲劳寿命越小;旋转臂的整体安全系数比较大,比较安全。研究成果表明了该新型旋转臂结构设计方案是可行的,为今后旋转臂的结构改进提供了必要的技术依据。     

场面监视雷达天线座主轴疲劳寿命分析

某场面监视雷达天线尺寸大,方位回转速度高,要求工作寿命长,给天线主要承载件——方位回转主轴的疲劳寿命提出了很高的要求。为了得到主轴的疲劳寿命,文中根据主轴的承载状态,对主轴材料0Cr17Ni4Cu4Nb进行了力学性能及疲劳强度的测定;依据试验结果及产品使用地的风力信息,基于ANSYS Workbench静力学分析及疲劳分析模块,得到了主轴在99.9%的置信度下的疲劳寿命为1.345×10⁷ h,约为要求寿命的150倍,可满足使用要求。同时为主轴的使用及优化提供了依据。     

基于ANSYS Workbench的热压机框架疲劳强度分析及优化

以某型号人造板热压机为分析对象,基于材料力学、断裂力学和局部应力应变法,给出了热压机框架的疲劳寿命计算方法.通过CATIA建立其三维实体模型,在ANSYS Workbench中进行有限元网格划分,并进行了静力学分析,再通过ANSYS Workbench中的Fatigue Tool模块进行了基于静力学分析的疲劳强度分析.结果表明:构件的疲劳寿命主要受薄弱环节的疲劳状况影响,应力集中部位的疲劳寿命最低.根据有限元仿真分析,对框架结构进行了优化设计,使得应力集中有了一定的减小,疲劳寿命有了明显提高.     

18CrNiMo7-6和20CrMnTi材料齿根弯曲疲劳寿命对比

对比了齿轮钢材料18CrNiMo7-6与20CrMnTi的齿根弯曲疲劳寿命。基于这两种材料的疲劳特性,采用SolidWorks中的GearTrax插件建立齿轮模型,并通过Workbench对齿轮的轮齿进行静力学分析;将静力学分析结果导入疲劳分析软件FE-SAFE中,结合载荷谱信息对两种材料齿轮进行疲劳寿命计算,得到齿轮的寿命云图并进行了仿真分析比较;通过试验验证了该仿真方法的可行性。结果表明,在相同的载荷条件下,18CrNiMo7-6齿轮的疲劳寿命大于20CrMnTi齿轮的疲劳寿命,与试验结果较为接近。该分析结果对工程实践具有一定的指导作用。     

动态气动载荷和构件振动对风力机气弹特性的影响分析

通过建立气弹耦合分析模型,研究叶片、塔架等构件的耦合振动对叶根气弹载荷的影响以及在静、动态气动模型下的叶根和塔底气弹载荷的差异。采用"超级单元"模型,将叶片、塔架和主轴离散为通过转动铰和弹簧、阻尼器连接的刚体系统,以反映这类构件较大的弹性变形和非线性振动。在叶素动量理论(Blade element momentum,BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,以反映气动载荷的动态特性。应用计算多体动力学理论和风力机气动模型,建立受约束的风力机系统气弹耦合方程。算例以某5 MW风力机为研究对象,通过施加不同的约束条件,研究风轮以外其他构件振动对叶根气弹载荷的影响;通过静、动态气动分析模型,考察叶根和塔底气弹载荷的动态耦合效应。分析表明,塔架、主轴等构件的运动会显著影响叶根的气弹载荷;叶片的动态失速特性也对叶根的气弹载荷和疲劳载荷谱有较明显的影响。研究工作对于保证风力机安全稳定运行和疲劳寿命设计有重要的作用。     

基于泊松随机过程的风力发电机叶片疲劳寿命估算

疲劳寿命决定了正常工况下工程结构服役期限的长度,对其进行准确预测对于零部件疲劳强度设计至关重要。由于机械零部件在工作期间经常会受到随机变幅载荷的作用,载荷间相互作用效应现象十分显著,导致单次循环载荷对材料所造成的疲劳损伤量发生变化,若忽略该效应会影响疲劳寿命估算的准确性。针对当前研究中的疲劳损伤累积法则无法考虑该效应的问题,提出一种将非齐次泊松随机过程函数与伴随损伤理论相结合来估算零部件疲劳寿命的方法,解决了由于载荷间相互作用效应所带来的载荷作用顺序的问题,并以随机加载试验为例验证了该方法的准确性。将其应用于风力发电机叶片的疲劳寿命估算过程中,结果表明该方法可靠、有效,为风力机叶片的疲劳可靠性设计提供了新的路径。     

风电转盘轴承的设计与制造

风力发电机用转盘轴承为一种特大型轴承,主要用于变桨和偏航系统,受载复杂,且拆装维护非常困难,因此风电转盘轴承的设计和制造要求严格.结合国内、外的实践经验和研究成果,论述了风电转盘轴承设计和制造的关键技术,重点分析了风电转盘轴承的选型、寿命预测技术,机加工、热处理技术等,以期对国内风电转盘轴承的自主创新有所帮助.     

Development of highly reproducible test rig for pitch and yaw bearings of wind turbine

Pitch and yaw bearings are essential to the safe and efficient operation of wind turbines. They are classified as a large bearing, and they suffer from much more severe operational conditions compared to small bearings used for general industrial applications; in particular, they are subjected to greater external forces in each direction, very thin lubrication film thickness during operation, and so on. Furthermore, because they are installed on the wind turbine blade or a tower top of high altitude, it is costly and time consuming to repair or replace them in the field. Therefore, a laboratory-scale test is required for ensuring the performance of the pitch and the yaw bearings before application in the field. A test rig is developed to verify the performance of the pitch and the yaw bearings, including their fatigue life and static loading capacity. The test rig can reproduce actual operational conditions such as 6 degree of freedom (DOF) dynamic loadings and rotation of bearings for both directions. The mounting interfaces of the test rig are also the same as those used in the original environment, and various sizes of bearings can be applied by using a changeable adaptor. This high reproducibility of actual loading, driving, and mounting conditions simultaneously as well as applicability to wide size ranges are distinctively advantageous characteristics compared to previous test rigs. A structural analysis and preliminary friction torque test showed the suitability of the developed rig for use in pitch and yaw bearings of 2.0–3.0 MW class wind turbines.     

风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

亚临界和超临界汽轮机强度振动与寿命设计判据的研究

根据多年的科研成果提出了亚临界和超临界汽轮机部件的强度、振动与寿命的20个设计判据。给出了汽轮机的部件静强度、结构有限元分析、隔板刚度、低压缸刚度、汽轮机胀差、叶片动强度、整体围带叶片动强度、长叶片颤振、第一种调频叶片振动、第二种调频叶片振动、整圈连接叶片组振动、轴系临界转速、轴系油膜涡动的稳定性、不平衡响应、轴系扭振频率、轴系扭振应力、汽流激振、低周疲劳寿命、蠕变寿命和蠕变与低周疲劳交互作用下寿命等20个设计判据和这些设计判据的应用范围。使用这些设计判据,可以在设计阶段校核和分析汽轮机部件的强度、振动和寿命设计的安全性与可靠性,为大型汽轮机的研制和生产提供了科学的依据。     

恒频变速风力发电机组浆叶的动态特性分析

基于离散(矩阵法)和连续(平衡方程)两种方法分别计算桨叶的弯曲和扭转频率,比较了这两种方法对于分析恒频变速风力发电机组桨叶动态特性的优缺点;利用ANSYS大型有限元软件模拟了兆瓦级风力发电机组桨叶的模型,讨论了影响桨叶建模和动特性的主要因素,如单元类型、载荷、约束等,比较了计算值和测量值的误差,分析了桨叶的振型,从而为旋转桨叶的疲劳预测、消除共振和稳定性分析提供诊断的理论依据。     

In Situ Growth of Graphene on Carbon Fabrics with Enhanced Mechanical and Thermal Properties for Tribological Applications of Carbon Fabric–Phenolic Composites

ABSTRACT

Though the premature failures of wind turbine gearboxes are often attributed to bearing fatigue from overloading, there is compelling evidence that wear from underloading is a significant contributor. Here we attempt to gain insight into the relative contributions of over- and underloading by assessing planet bearing reaction forces from the Gearbox Reliability Collaborative (GRC) standard gearbox within a typical utility-scale wind turbine under realistic conditions. The results demonstrate that non-torque load sharing by the planetary stage increases and decreases planet bearing reaction forces at different locations within each rotor cycle regardless of wind speed. Planet bearing reaction forces exceeded the fatigue limit at wind speeds above 12 m/s and fell below the minimum load rating at wind speeds below 7 m/s. Based on analyses of published wind spectra from 10 U.S. sites, the expected fatigue life of the planet bearings ranged from 42 to 529 years even after accounting for non-torque load sharing. At the same 10 sites, planet bearings were underloaded (below 2% of the dynamic load rating) once per rotor cycle 40–70% of the time. Underloaded bearings are susceptible to surface damage when suddenly exposed to common transient events, such as yaw, wind gusts, braking, and grid faults. The resulting surface damage can initiate premature failure via wear (e.g., micropitting) or by reducing bearing fatigue life. The results suggest that carrier bearing clearance, non-torque load sharing, and planet bearing underloading are significant contributors to the premature failures of wind turbine planet bearings.     

大型风力机叶片研究现状与发展趋势

叶片是风力机最为关键的部件之一,叶片、轮毂组成的风轮是能量捕获机构,将风能转变为机械能,与此同时,叶片又是风力机力源,主要承载部件,对整个风力机安全运行起着关键作用。在对大型风力机及其叶片产业发展现状分析基础上,从气动外形与结构设计现状、运行监测与控制技术现状、发展趋势与有待研究的问题等几个角度进行较为全面的梳理总结,从而从总体上把握现代大型风力机叶片研究现状及发展趋势。指出今后将在针对抗台风叶片、低风速叶片、仿生叶片和低噪音叶片等的个性化设计,具有外部载荷环境和自身结构状态变化感知功能的智能风力机叶片设计等方面进一步发展;已经形成的风力机叶片设计、制造及运行监控理论等还要随着大批量风力机全生命周期服役实践,进一步完善和发展。     

MW级风力发电机组偏航制动盘强度分析

偏航制动盘是风力发电机组中受力情况较为复杂、可靠性要求较高的关键部件之一,其强度直接关系到整个机组的安全运行。基于GL规范,采用有限元方法对偏航制动盘进行静强度和疲劳强度分析,并且给出了偏航制动盘部件S-N曲线的详细拟合过程,有效解决了偏航制动盘强度计算问题,为风机的安全运行提供了可靠的技术支持。