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2015年第7期玻璃铜/复合材料39lOOkW大厚度钝尾缘叶片的静力实验研究徐立军,徐蕾,杨科(1.新疆工程学院,乌鲁木齐830000;2.中国科学院工程热物理研究所,北京100190)摘要:现代风力机叶片的大型化带来了设计和生产方面的诸多问题,叶片的静力实验是分析叶片结构稳定性的重要基础和验证手段。对中国科学院工程热物理研究所研发的lOOkW大厚度钝尾缘叶片进行了静力实验研究,分析了叶片在摆振和挥舞方向的屈曲特性和应变特性,通过对静力特性进行分析,探讨了叶片在载荷作用下的刚度及应变等性能特性,比较了叶片相对于传统尖尾缘叶片的结构性能优点。最后,将失效实验结果同设计值相比较,分析了产生误差的原因。关键词:钝尾缘;叶片;静力实验;屈曲;应变中图分类号:TB332;TK83文献标识码:A———文章编号:10030999(2015)07003906大型风电叶片是一种具有梁壳结构的部件,梁承受主要的气动及结构载荷,壳主要维持叶片的气动外形。这种结构使在不增加叶片弦长的情况下提高叶片的绝对厚度进而增加叶片的结构强度及刚度成为可能,具体措施即采用相对厚度较大的翼型替“”换相对厚度较小的翼型,大厚度的概念即由此而来。钝尾缘是应用于叶片内侧提高叶片结构特性的另一种方式,可在不增加叶片重量的情况下提高叶片的强度。中国科学院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发(实验)中心在参考了华人lOOkW风力机相关参数的基础上,设计了一种lOOkW大厚度钝尾缘叶片。为了对所设计的复合材料叶片材料与结构进行验证及进一步改进,项目组对叶片的静力进行了实验测试,并对测试结果进行了分析。1国内外研究现状分析作为风电机组的核心部件,叶片在机组运行时承受着各种复杂的载荷,在进行正式使用前必须经过形式评估,以保证机组运行的安全性和可靠性,评…估包括:静力、模态、质量及刚度分布等方面。德国、丹麦、美国等国家风电产业起步较早,在叶片设计、检测等方面已经积累了较多的经验并构建了相关的标准。目前,国外在大型风力机叶片静力测试方面的研究主要集中在实验方法、结构优化设计的实验验证以及叶片失效条件等方面。早在1996年,美国NREL研制了BSTRAIN数据采集系统,可对叶片相应状态进行测试,自动采集并处理叶片静力、疲劳数据及刚度等数据,具有较好的测试准确性;1997年,NREL与欧洲主要叶片检测“—机构共同设立了EuropeanWindTrubineTestingPro”cedureDevelopment项目j,各检测机构分别对同批次Netwind25叶片进行静力、模态及疲劳测试,以此比较不同机构使用的各种检测方法的效果;W.D.Musial等对实验载荷的加载方式进行了研究,分别进行了基于强度和载荷的叶片静力及疲劳试验;G.C.Larsen等通过实验分析了叶片的振动模态,发现随着叶片尺寸逐渐增大,其柔度也会相应增加,摆振方向的不稳定会导致整个风轮的破坏性结果;E.R.Joergensen等对某34m长叶片进行了失效试验,F.M.Jensen等将实验结果同有限元分析结果进行了对比,详细论证了叶片的失效机理;L.C.T.Over-gaard等_6在静载荷实验中对叶片施加挥舞方向极限载荷,发现覆层分层及沿展向屈曲是叶片的主要破坏形式。近年来,随着国内风电事业快速发展,国内各风电研究机构对叶片的静力及模态测试技术的研究也取得了一定的进展。汕头大学的曹人靖等对静载荷测试方法进行了研究,提出了一种用单点加集中载荷测试数据综合评定叶片刚度及屈曲的方法;国防科技大学的周展鹏等L8使用ANSYS软件对某1.5MW风力机叶片进行了结构分析,得到了在挥舞方向极限载荷作用下的叶尖挠度,计算了叶片最大拉应力及压应力,并——收稿日期:20150127基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金项目资助(201421IA021)作者简介:徐立军(1978.),男,博士,副教授,主要从事风力发电机载荷检测及控制策略方面的研究。l_|100kW大厚度钝尾缘叶片的静力实验研究2015牟7月与静载荷实验结果进行了比较;汕头大学的叶枝全’等m应用其自主研发的动态信号分析与故障诊断系统,对水平轴风力机的叶片进行了实验及计算模态研究,通过分析叶片振动得到其模态,将计算模态与实验模态结果进行了对比分析,为计算叶片模态的算法选择提供了依据。2叶片静力实验叶片静力实验就是在叶片静止状态下对叶片施加载荷,通过安装在叶片上的测试设备,采集叶片的应力应变数据。其目的是测试叶片承受极限载荷的能力以及叶片在承受极限载荷情况下的变形特性。在静力实验过程中对叶片施加的测试载荷设定为设计极限载荷的110%ll,在叶片测试方向施加具有一定安全裕量的最大载荷,以测试其屈曲稳定性、刚度及叶尖最大位移;模态测试的目的是为了测量叶片的一阶和二阶挥舞方向的固有频率以及摆振方向的一阶固有频率。2.1实验设施及实验件介绍风电场为2A级,风力机额定功率为lOOkW,叶根弯矩的最大值为125.3kN・m,变桨制动力矩为8.8lkN・m,变桨力矩最大值为122N・m,单片叶片质量为243kg,叶片质心位置距叶根为2.63m。在叶片—最大弦长处采用了钝尾缘翼型CASW2450,叶尖采用NACA18翼型,其余翼型全部采用DU系列翼型。叶片沿展向分布的空气动力学外形分布如图1所示。主梁厚度沿横向递增,这样可以沿主轴敷设更多的单向纤维材料来提高叶片沿截面的抗弯刚度。叶片材料使用玻璃纤维和真空灌注聚酯树脂,制造价格比我国市场现在使用的环氧树脂材料便宜一半。图1叶片沿展向的尺寸Fig.1Physicaldimensionsoftheblade味2l贱|叶片实验台为华翼风电研发中心和中国科学院共同建立,实验台高6m,能检测的最大叶片的长度为65m。实验台后部有一个洞,可以通过这个洞进入叶片内部。2.2静力测试对于静力测试,叶片要固定在试验台上,并从四个不同方向加载(最大挥舞弯矩、最小挥舞弯矩、最大摆振弯矩、最小摆振弯矩)。测试中叶片需要被旋转,但是加载方向始终向上。叶片根部通过14个M20螺栓连接到转接法兰上,螺栓等级为10.9级,(螺栓预紧力矩为265N・m),转接法兰再通过64个M36螺栓连接到试验台,螺栓等级为10.9级,(螺栓预紧力矩为1200N・m)。螺栓采用扭矩扳手进行初步紧固,再利用扭矩扳手预加预紧力,紧固预紧力矩为265N・m,扭矩扳手量程为2000N・m。—根据IEC6140023标准,共计在叶片上安装了4O个应变片,应变测量采用多点单臂半桥接线方式。为准确地测试叶片表面的应变,测试叶片没有喷涂表面涂层,叶片内部应变片在合模之前布置。根据IEC61400.23标准,应变片主要沿叶片主梁布置,梁帽上应变片的粘贴位置为梁帽宽度的3/4处,靠近后缘,大梁上应变片的粘贴位置为大梁的中间,前缘和后缘面板上的应变片贴在其弧向中心位置。叶片上每隔0.5m都做了防水防风的标记,以便于清晰定位半径方向位置。叶片在四个不同角度进行测试。表1给出了每个方向的角度位置。参考位置是O。参考面弦长水平,且吸力面朝上。负的桨距角表示从叶根朝叶尖观察时顺时针旋转。表1叶片安装角Table1B】adeincidence加载方向叶片安装角最大挥舞(挥舞正向)最大摆振(摆振正向)最小挥舞(挥舞负向)最小摆振(摆振负向)0。-90。一18O。根据 ̄GuidelinefortheCertificationofWindTur.binesEdition2010))的要求,至少70%长度的叶片部分都将被过载到要求的加载因子,本实验对2.5%至70%(即7.2m)的叶片长度进行了测试。测试选用2015年第7期玻璃钢/复合材料41两点加载方式,采用两台起重机通过夹具在沿展向4m和8m的两个位置施加载荷。实验夹具由钢框、木质夹块和橡胶垫构成,夹具处的尾缘和前缘分别用皮带固定。—按照IEC614001规范进行了设计载荷计算,以对其20年预期使用寿命进行评价,设计载荷、实验载荷及测试载荷分布情况如图2所示。图2沿叶片展向弯矩分布Fig.2Appliedbendingmoment根据设计质量分布,由叶片重力引起的叶根截面上的弯矩为6.97kN・m。各加载点应施加的重力补偿力见表2。表2重力补偿力Table2Strengthofgravitycompensation测试载荷(名义载荷)由如下公式确定:F=F拙×T1r×2r(1)式中,F如为载荷设计值(Designvaluesoftheload),=1.1(考虑系列化以后叶片特性的分散):r1.0,环境温度>20 ̄C2={1.1,环境温度<一30 ̄C℃【通过线性差值确定,一30<环境温度<20 ̄C实验时环境温度超过了20%,因此取:=1.0,最终的加载因子确定为1.1。实验进行了叶片的摆振和挥舞的屈曲实验。分别在叶片尾缘施加载荷进行了摆振实验,在吸力面施加载荷进行了挥舞实验。在实验时,每个加载位置需额外施加载荷以平衡夹具重量(夹具重量在实验前进行测量并记录)。全过程加载前,对每个方向加载4O%测试载荷的预加载,以对测量系统、夹具叶片连接、叶根与试验台连接进行检查。摆振方向实验从施加40% ̄1J试载荷开始,每次以20%递增至100%设计载荷,挥舞屈曲实验载荷一直持续到叶片失效为止。夹具接触叶片的承载表面必须精确匹配叶片轮廓,并用橡胶垫使其具有弹性。夹具只能轻微地固定,以避免过度夹紧破坏叶片翼型并压迫剪切层,同时采用紧固皮带阻止夹具滑动。两个吊车之间相互独立,同时施加载荷,当载荷达到要求等级的测试载荷时保持lOs,用安装在吊车上的载荷记录仪记录载荷,用拉绳式位移传感器在两个夹具之间测量叶片扭转。用安装在叶片主梁、钝尾缘中央、尾缘夹芯和剪切腹板上的应变片测量叶片应变,沿叶片主梁的纵向应变用安装在主梁上的应变片测量,其他部位的纵向和横向应变分别由相应的0。和90。安装的应变片进行测量。以上测试步骤在测量的四个方向上分别重复进行,前一个方向测试完毕后,将叶片旋转到正确角度测量另一个方向。实验时的外部天气环境如表3所示。表3实验天气环境Table3Theweatherenvironmentofexperiment3实验结果与分析3.1刚度实验结果与分析叶片沿展向的挠度如图3所示。从图中可以看出,加载载荷不超过100% ̄试载荷时,摆振和挥舞方向的最大屈曲变形分别约为0.1m和1.4m,叶片的刚度和所受载荷近似为线性关系,基本与简支梁理论中的刚度和载荷关系对应。当载荷从100%实验载荷继续增加,屈曲与载荷呈现出非线性关系,实测最大屈曲为2.56m,而计算最大允许值为3m,满足许用条件,同时,这个结果也说明在大挠度情况下,传统的基于简支梁理论的载荷与刚度线性特性关系已不再适用。蛹j42100kW大厚度钝尾缘叶片的静力实验研究2015年7月(a)摆振挠度(a)Edgewisebending(b)挥舞挠度(b)Flapwisebending图3叶片挠度情况Fig.3Deflectionsoftheblade3.2应变结果及分析因为叶片采用了复合材料,材料失效机制与强度特性会随载荷作用方向的不同而变化¨’",导致最大应力与最大应变的发生方向并不一定相同,应力在各层之间呈跳跃状态,所以结构中最关键的力并不一定是最大应力。而应变在各复合层之间呈连续分布,所以根据《风力发电机组风轮叶片》标准规定,叶片静力强度校核可只考虑应变分析。在沿展向2m和5.5m区间内,压力面与吸力面的主梁纵向应变如图4所示,图中,SS为吸力面(Suctionside),PS为压力面(Pressureside)。从图中可以看出,主梁的应力和应变基本呈线性关系,主梁在半径5.5m处接近断裂失效位置的最大纵向应变超过了6000 ̄8。■FJcM肋O0"/oB ̄'/o!Uq'/ol丑144P/o10 ̄/ol2 ̄A/'/o21测试载荷/%图4挥舞实验主粱载荷与纵向应变关系Fig.4Relationshipoflongitudinalstrainsandloadonsparcapsintheflapwisebending如图5所示,直到叶片失效为止,在最大弦长2m处的尾缘夹芯的纵向和横向应变均与所受应力呈线性关系,这说明该叶片尾缘夹芯基本没有发生局部屈曲,该结果证明了大厚度翼型尾缘结构具有较强的刚度。(P/o,Kr/aotr/o81P/oRIP/o121//o1ZllP/o16lP/oi81/'/o2110 ̄”/o2l%测试载荷图5最大弦长处尾缘夹芯应变Fig.5Strainsontheaftpanelatthemaximumchord最大弦长处的抗剪切腹板的应力与应变在摆振实验100%实验载荷范围之内都呈线性关系,而在挥舞实验约60%实验载荷范围内呈线性关系,如图6所示。在挥舞实验中,抗剪切腹板有了较明显应变,尤其是超过100% ̄t]试载荷后变化尤为显著,说明抗剪切腹板已开始弯曲,但在载荷继续增大到220%实验载荷之前,叶片仍然承受住了继续增大的载荷而没有发生失效。2015年第7期玻璃钢/复合材料430%40%60"/*80 ̄/ol012 ̄/ol40*/,l60%l80%200%210%测试载荷图6最大弦长处抗剪切腹板的应变Fig.6Strainsontheshearwebatthemaximumchord最大弦长处的钝尾缘在摆振实验中也显示出线性特性,如图7所示。传统的尖尾缘叶片在进行摆振实验时通常会出现局部屈曲,并发生材料失效,这说明现代风力机叶片钝尾缘翼型可以较好地提高局部结构稳定性。此外,在挥舞实验中,钝尾缘翼型在承受140%实验载荷之前一直呈线性特性,即使超过了140%实验载荷,也可以继续承受载荷而不出现结构失效。测试载荷图7最大弦长处钝尾缘应变Fig.7Strainsontheflatbackatthemaximumchord4结论大厚度钝尾缘叶片在静力实验中表现出了较好地结构性能。在摆振和挥舞方向实验中,叶片屈曲和所受载荷基本呈线性关系,较好地对应了设计时所遵循的简支梁理论中的刚度和载荷关系,应变测试结果也显示,主梁的应力和应变基本呈线性关系,尾缘夹芯基本没有发生局部屈曲。此外,钝尾缘在实验中显示出了较好的局部结构稳定性,性能优于传统的尖尾缘叶片。在挥舞实验加载到220%设计载荷时,叶片产生了断裂性失效,失效载荷低于设计时计算的543% ̄0试载荷,分析原因是由于在有限元建模时没有充分考虑叶片制造时粘贴前缘和尾缘使用的结构胶对结构性能的影响所致。参考文献[1]许晓燕,颜鸿斌,李东.风机叶片静载荷和模态测试技术[J].—宇航材料工艺,2011,(2):4346.—[2]BB,VDJ,VDD.Europeanwindturbinetestingproceduredevel—opment.SMT4一CT962116,Subtask2:FinalReportBladetesting—methods,ECN-C一00055[R].2000.—[3]wDM,MEc,NE.ComparisonOfstrengthandloadbasedmeth.—odsfortestingwindturbineblades,NREL/CP一44021979,CONF一—9701359.United[R].1996.—[4]ERJ,KKB,MM.Fullscaletestingofwindturbinebladetofail——ureflapwiseloading,Rio-R一1392(EN),ISBN87・550-31846;ISBN87[R].2004.[5]FMJ,BGF,JA.Structuraltestingandnumericalsimulationofa34mcompositewindturbineblade[J].CompositeStructures,2006,—76(1/2):5261.[6]LCTO,EL,OTT.Structuralcollapseofawindturbineblade.PartA:Statictestandequivalentsinglelayeredmodels[J].Com-positesParta:AppliedScienceandMANUFact,2010,41(2):257.270.[7]曹人靖,刘道新.水平轴风力机风轮静态结构特性试验研究—[J].太阳能学报,2001,22(4):436439.[8]周鹏展,肖加余,曾竞成,等.基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析[J].国防科技大学学报,2010,32(2):46.5O.[9]叶枝全,马吴,丁康,等.水平轴风力机桨叶的实验模态分析—[J].太阳能学报,2011,22(4):473476.[1O]马吴,叶枝全,包能胜,等.水平轴风力机桨叶计算模态分析—[J].太阳能学报,2002,23(3):361365.[11]林钧斌,庄骏,孙斌,等.风电机组机械载荷测试研究[J].机械制造,2013,51(587):65・67.[12]黄永东.测试技术在风电叶片静力试验的应用[J].东方汽轮机,2009,增刊:4O一45.[13]张春友,赵华洋,于立波.小型风力发电机叶片静载实验研究[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版),2009,24(3):—308310.[14]赵旭,王祥云,薛榕融.风力机复合材料叶片静强度分析与铺层设计[J].西北工业大学学报,2012,3o(6):825-829.[15]杨婷,杜文超,杨贺,等.风电叶片静载荷应变测试实验[J].—实验室研究与探索,2011,30(I1):3339.[16]USS,TOLUS.StmeturalDesignandAnalysisofWindTurbineRotorBladesUsingLaminatedSandwichComposites[c].Earth&Spae,2004.492498.f17]MCKITRRICKLR,CAIRNSDS,MANDELLJ,eta1.AnalysisofaCompositeBladeDesignfortheAOC10/50WindTurbineusinga—FiniteElementMode,ReportSAND2001144[R].2001.嘲蠢毒避繇哑幕100kW大厚度钝尾缘叶片的静力实验研究2015年7月Ⅱ’’’ANEXPER垤ENTALSTUDYoF100kWBLADEWIrIHFLAIBACKADⅡTmCKAIRFOSUNDERSTATICLOADXULi-jun,XULei,YANGKe(1.XinjiangInstituteofEngineering,Urmqi830091,China;2.InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofScience,Beijing100080,China)—Abstract:Increasinglylarge-sizedwindturbinebladebringsmanydesignandproductionproblems,staticexperimentalofbladeistheimportantfoundationandverificationmeans,whichcanbeusedtoanalyzethestructure—stabilityoftheblade.Thispaperpresentsthestaticexperimentalstudyofthe100kWexperimentalbladewithfiat—backandthickairfoils,whichwasdesignedbyprojectteam.Thebuckingandstrainbehaviorofflapwiseandedgewiseareanalyzed.Performanceoftheblade,includingbucklingandstrainundertheactionofloadisinvestigated,—thestructuralperformanceadvantagesarecomparedwiththetraditionalbladewithsharpedgeandthebladewithfiatback.Atlast,theresultsoffailureexperimentalarecomparedwiththedesignvaluetoanalyzetheerrorgenerationcauses.Keywords:flatback;blade;staticexperiment;buckling;strain(上接第62页)[4]王家桢,王俊杰.传感器与变送器[M].北京:清华大学出版社,1996.[5]丁英丽.基于光纤传感器的智能温度检测系统的设计[J].计量—与测试技术,2003,30(2):7478.[6]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].武汉:华中理工大学出版社.2000.[7]夏倩.多道粮仓温度控制系统的一种方案[J].仪表技术与传感—器,2003,(2):3942.[8]李桂山.检测与控制技术[M].西安:西安电子科技大学出版社.2006.[9]马涛.数据传输的通信系统设计[J].微型计算机信息,2008,—24(2O):157158.[1O]康新平,赵金.温度信号采集处理及控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2000,(5):12-14.[11]王国立,王淑欣.基于C8501F的远程多点温度控制系统设计—[J].自动化技术与应用,2009,(5):130132.[12]郑敏.远程精度数字温度检测系统的设计[J].石河子大学学—报,2005,23(4):516518.[13]沈周义.基于远程控制的温度采集系统设计与实现[J].安徽—电子信息技术学院学报,2012,(6):1517.[14]程真.一种多路温度检测系统的设计[J].商场现代化,2007,(12):23-24.[15]刘海峰,刘红刚.远距离温度检测系统在温室控制中的应用—[J].现代农业装备,2010,(6):4749.THEAPPLICATIoNoFREMoTETEM[PERATURESYSTEMUWINDPOWERBLADEINTHECURINGPROCESS—YINXiuyun,YANGShuai,CHENCui,GAOEr-qi(SinomatechWindPowerBladeCo.,Ltd.,Beijing102101,China)Abstract:Thispapermainlyintroducesthegeneralimplementationproposaloftemperaturedataacquisitionandmonitoringdesignformaximum16mouldsinasingleworkshop.Itisconvenientandreliabletorealizetheremotemonitoringforwindpowerbladecuringtemperaturethroughtheimplementation.TheacquisitiondatacanbeviewedasrealtimeCHIVeandhistorycurve.Andthedatastoragefunctionwillfacilitatethecomparisonwithproductionre-corddata,fortherealtimerecorddataistraceable.Keywords:windpowerbladecuring;remotetemperaturemeasurement;dataacquisition;networktransmission||麓:|2I
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