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風(fēng)電葉片疲勞測試動態(tài)應(yīng)變受溫度的影響

2018-04-26 14:50:11 大云網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
1 前言  自從國家能源局發(fā)文要求風(fēng)力發(fā)電機組整機及風(fēng)輪必須通過型式認證,因此每個型號的風(fēng)輪葉片都需要通過疲勞測試?! ∪~片疲

      1.前言

  自從國家能源局發(fā)文要求風(fēng)力發(fā)電機組整機及風(fēng)輪必須通過型式認證,因此每個型號的風(fēng)輪葉片都需要通過疲勞測試。

  葉片疲勞測試是一個較漫長而復(fù)雜的工作,操作不當(dāng)有較大的風(fēng)險。比如說葉片設(shè)計、制造質(zhì)量都非常高,但由于疲勞加載或者操作不當(dāng)可能會引起提前破壞,最后導(dǎo)致不能取得型式認證證書。在溫度變化時,復(fù)合材料的自振頻率將發(fā)生變化,進而影響風(fēng)電葉片疲勞測試的動態(tài)應(yīng)變。

  2. 葉片疲勞測試的原理

  目前葉片疲勞測試是靠安裝在葉片上的偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備與葉片發(fā)生共振,從而驅(qū)動葉片做上下循環(huán)擺幅運動的。葉片、偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備、額外配重的質(zhì)量組成葉片系統(tǒng)。共振的充分條件是偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)頻率與葉片系統(tǒng)自振頻率非常接近。其中旋轉(zhuǎn)頻率可通過變頻器來調(diào)節(jié),尤其在共振頻率附近區(qū)域。

  3. 模量引起葉片頻率變化

  目前大型水平軸風(fēng)電葉片由樹脂基復(fù)合材料制造而成,根部為圓柱型,通過T 型螺栓或預(yù)埋螺栓連接,從最大弦長到葉片尖部段,絕大部分剛度由單向織物復(fù)合材料提供。

  復(fù)合材料的模量受溫度影響較大,GL 2010規(guī)定復(fù)合材料適應(yīng)的一般環(huán)境溫度范圍為-30---+50℃,而其機械性能測試是在室溫23℃下進行的。參照室溫條件,復(fù)合材料模量的變化趨勢是: 在低溫下升高,高溫時降低。

  為了研究簡便,可以把在任何溫度下葉片截面的剛度看成一個系數(shù)乘以室溫條件下的葉片剛度所得的積。本文假設(shè)剛度的變化量為10%,表1 顯示了剛度和系統(tǒng)頻率的變化。

風(fēng)電葉片疲勞測試動態(tài)應(yīng)變受溫度的影響

      4. 溫度變化對葉片疲勞測試的影響

  經(jīng)過細微的調(diào)試,葉片系統(tǒng)與偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生共振,實現(xiàn)平穩(wěn)運行。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化,導(dǎo)致如下連鎖變化:

 ?。?1) 葉片單向織物復(fù)合材料的模量變化;

 ?。?2) 葉片系統(tǒng)的自振頻率發(fā)生變化;

 ?。?3) 破壞原有共振平衡,導(dǎo)致葉片的動態(tài)應(yīng)變不夠或者超出。

  按照第二部分中描述的方法對葉片開展疲勞測試,疲勞試驗荷載用單點恒幅加載,在葉片特定截面處安裝激振器,由激振器的偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對葉片施加交變恒幅荷載。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及偏心輪質(zhì)量,使激振器與葉片產(chǎn)生共振,可使激振力達到預(yù)定的荷載水平,分別采用動態(tài)應(yīng)變儀和位移傳感器采集考核位置的動態(tài)應(yīng)變和振幅。

  圖1 顯示了LZ55. 58-2. 0 葉片在連續(xù)的溫度變化下振幅的變化趨勢。操作人員按照白天的溫度調(diào)節(jié)獲得穩(wěn)定的振幅。晚上溫度降低,葉片自振頻率升高,共振平衡被打破,振幅降低。第二天早晨,溫度又升高,振動平衡又恢復(fù)。

  當(dāng)葉片的振動幅值不同時,動態(tài)應(yīng)變隨之發(fā)生變化。

   

     風(fēng)電葉片疲勞測試動態(tài)應(yīng)變受溫度的影響

 

      5. 調(diào)節(jié)措施

  葉片疲勞測試中,危險截面區(qū)域的主梁和輔梁的動態(tài)應(yīng)變被作為考核對象,需要保持穩(wěn)定。在溫度變化的環(huán)境中,需要調(diào)節(jié)變頻器頻率去調(diào)節(jié)偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)頻率,最后保持較穩(wěn)定的動態(tài)應(yīng)變。

  以表1 中的數(shù)據(jù)為例,設(shè)定變頻器的初始頻率為37. 88Hz, 17 ∶02 時因溫度微變,頻率調(diào)整為37. 88Hz,18 ∶04 時因溫度下降,采集的應(yīng)變偏小,需要將變頻器的頻率設(shè)為37. 92Hz,應(yīng)變恢復(fù)為設(shè)計要求的686。

  變頻器調(diào)節(jié)的步長越短,所獲得調(diào)節(jié)后的動態(tài)應(yīng)變就越精確、越穩(wěn)定。

  另外,如果葉片在室內(nèi)做疲勞測試,即使環(huán)境溫度有變化,但是葉片材料本身的溫度變化較室外的小得多,則更容易控制。

  假設(shè)在三個溫度環(huán)境中,葉片單向布復(fù)合材料的模量相差10%。通過調(diào)節(jié)變頻器在對應(yīng)關(guān)鍵點獲得同樣的動態(tài)應(yīng)變,表2 列出了三個理論計算結(jié)果對比。

風(fēng)電葉片疲勞測試動態(tài)應(yīng)變受溫度的影響

      可見,如果要保持動態(tài)應(yīng)變不變,則需要保持葉片振幅不變。目前一種以 控制葉片振幅的閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)成功開發(fā),可以實時調(diào)節(jié)振幅。

  6. 結(jié)論

  本文闡述了風(fēng)電葉片疲勞測試受環(huán)境溫度影響的結(jié)果及調(diào)節(jié)方法,總結(jié)如下:

  ( 1) 環(huán)境溫度變化對葉片疲勞測試的影響很大,可造成被考核的葉片動態(tài)應(yīng)變不夠或者超出;

 ?。?2) 為了獲得較穩(wěn)定的動態(tài)應(yīng)變,需要根據(jù)環(huán)境溫度變化及時調(diào)節(jié)偏心旋轉(zhuǎn)設(shè)備變頻器頻率: 溫度升高,調(diào)低變頻器頻率; 溫度降低,調(diào)高變頻器頻率;

 ?。?3) 即使在不同的溫度下運行疲勞測試,如果要保持關(guān)鍵點恒幅應(yīng)變,應(yīng)使葉片保持同樣的振幅。一般來說,振幅比較容易監(jiān)控。

 

 

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責(zé)任編輯:電改觀察員

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