周期性及气动荷载对风力机叶片动力特性影响研究

论文摘要

本论文主要研究了风力机叶片运营过程中周期性荷载以及气动荷载对其基本动力特性的影响;理论分析了上述两种荷载对叶片基本动力特性影响的原理,通过对一个额定功率300W的小型风力机叶片在不同风速、转速和损伤状态下的模态试验,对上述理论进行了验证。论文主要内容如下:(1)理论分析了重力、动不平衡导致的离心合力以及其他周期性荷载在叶片旋转过程中对叶片动力特性的影响,给出了上述荷载的具体表达式;推导了典型叶片截面受到的气动阻尼,定性分析了气动力对风力机叶片动力特性,主要是总的系统的阻尼的影响,并分析了结构频率发生改变的原因。(2)试验系统地设计和完成了一个额定功率为300W的小型风力机在不同风速、转速和损伤状态下的模态试验。对风力机的各部件(塔架、叶片,叶轮)以及整机在不同风速、转速和不同损伤状态下的振动进行了测试;分别采用电滑环和光滑环对上述传感器数据进行了传输和采集。通过对加速度信号的初步分析,发现并解释了叶片振动信号中的均匀分布频率的现象。(3)通过对试验数据的进一步分析以及第二章的理论分析,对非转动和转动状态下观测到的频率均布的现象进行了解释;根据气动阻尼的表达式,并结合升阻力系数曲线,定性解释了气动力对风力机叶片模态参数的影响;对光纤光栅应变信号进行分析,发现光纤光栅应变传感器对本试验中模拟的损伤较为敏感,可以用其对运行状态下的风力机叶片进行此类损伤监测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 人们对能源以及电力的需求
• 1.1.2 风力发电的发展
• 1.2 课题研究目的和意义
• 1.3 风力机叶片模态分析研究现状
• 1.4 风力机叶片损伤识别技术现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 风力机叶片激振源及气动阻尼分析
• 2.1 引言
• 2.2 周期性荷载对叶片动力特性影响的理论分析
• 2.2.1 重力
• 2.2.2 动不平衡导致的离心合力
• 2.2.3 风剪切
• 2.2.4 塔架前扰、卡门涡街以及风轮螺旋尾迹
• 2.2.5 周期性荷载共同作用分析
• 2.3 气动阻尼对风力机叶片动力特性影响
• 2.3.1 风力机叶片典型截面气动阻尼分析
• 2.4 分布参数体系下的叶片振动微分方程
• 2.4.1 运动方程的推导
• 2.4.2 叶片挥舞运动微分方程分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 风力机叶片动力特性测试及初步数据分析
• 3.1 引言
• 3.2 运行模态分析简介
• 3.3 光纤光栅传感器简介
• 3.4 风力机叶片动力特性试验
• 3.4.1 试验目的
• 3.4.2 试验场地及设备
• 3.4.3 传感器布设方案及测试参数
• 3.4.4 试验测试项目和内容
• 3.4.5 试验测试流程
• 3.5 频率峰值点等距分布现象及分析
• 3.5.1 风力机叶片在不同风速和转速下的加速度时程及频谱分析
• 3.5.2 非旋转叶片在不同风速下的动力特性
• 3.6 本章小结
• 第4章 气动阻尼和损伤对叶片动力特性影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 模态阻尼变化情况
• 4.2.1 非旋转下叶片模态阻尼在不同风速下的变化
• 4.2.2 旋转状态下风力机叶片模态阻尼随风速的变化情况
• 4.3 光纤光栅应变数据分析及初步损伤识别
• 4.3.1 应变时程及频谱分析
• 4.3.2 光纤光栅应变数据的统计平均分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢