风电叶片多点加载系统的机电耦合特性及试验研究

针对风电叶片加载多点激振时出现耦合问题,对多点疲劳加载系统进行合理简化,以两点摆锤激振加载为对象建立动力学数学模型,构建系统的机电耦合方程.在共振条件下的对机电耦合关系进行求解,通过相平面法得到振动系统的机电耦合特性、平衡奇点处的谐振同步性及稳定性条件,揭示加载系统出现耦合现象的机理.试验研究系统动态分岔耦合、主共振机电耦合特性及机电耦合作用下的同步控制,验证理论分析的正确性及控制算法的有效性,为疲劳加载系统的工程应用提供指导及试验参考.     

风电叶片两点疲劳试验系统激振器加载控制

基于电驱动惯性式激振装置,构建了一种风电叶片两点激振疲劳试验系统,并提出了虚拟主令同步控制算法.以PID算法设计误差补偿器,利用李雅普诺夫函数证明虚拟主令同步控制算法的稳定性,并建立控制仿真模型,数值仿真分析虚拟主令同步控制算法的收敛性及鲁棒性.最后,试验验证了耦合下虚拟主令同步控制算法的有效性.结果表明:虚拟主令同步控制算法能使激振器快速跟随,激振器之间相位差的波动很小,叶片振幅稳定,实现了风电叶片的平稳有效加载.     

直驱式风力发电技术及其发展

直驱式风力发电是当前风力发电技术的一种极具潜能的发展方向。首先回顾国内外风力发电的发展情况,在此基础上,分析了风力发电机组技术尤其是直驱式风力发电机组技术,对直驱式风力发电技术中使用的功率调节方式进行了探讨。对直驱式永磁同步风力发电系统的结构与控制进行了分析,并展望变速风力发电的发展趋势。     

风电叶片双惯性激振疲劳加载耦合振动特性

针对风电叶片电驱动双惯性激振疲劳加载时出现耦合问题,通过对加载系统进行合理简化,基于拉格朗日方法建立疲劳加载过程中的动力学数学模型,并由此构建系统的机电耦合方程.利用小参数周期平均法对耦合过程近似解析,并推导了系统振动同步稳定的条件,得出系统运行过程中电动机负载转矩的影响因素,揭示系统出现耦合现象的机理,对系统频率特性进行数值仿真,得到不同加载频率下叶片振动特性.通过实际叶片疲劳试验验证数学模型、理论推导及仿真结果的正确性,为风电叶片疲劳加载系统同步控制策略制定提供理论依据及工程应用参考.     

复合材料散斑干涉检测中的音频激振加载系统研究

论述了自行研制的宽音频扫描激振加载系统。利用该加载系统的数字错位散斑干涉检测技术对复合材料人工缺陷样件进行了检测验证。实验结果表明该加载系统激振效果明显,具有快速、连续、非接触等优点,适合于飞机复合材料外场原位加载检测。     

基于模糊控制的永磁直驱风力发电机最大功率跟踪控制

针对永磁直驱风力发电机的输出功率难以稳定且快速地达到最大功率点的问题,提出了一种基于模糊控制的直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪控制(maximum power point tracking,MPPT)策略。分析直驱式永磁同步发电机的工作特性和数学模型,进而阐述利用升压电路实现MPPT的原理与基础知识。以风电系统MPPT原理及模糊控制理论为基础,升压电路的本周期和上个周期占空比的差值、输出功率的差值作为模糊控制的输入,下个周期的升压电路占空比为输出。并根据所需预期控制效果推理模糊控制规则设计出一种适于永磁直驱风力发电机的模糊控制器,搭建包含MPPT的永磁直驱风力发电系统的Matlab/Simulink整体模型并仿真,结果证明该控制策略的可行性及优越性。     

悬挂式惯性振动设备多场耦合瞬态过程分析

为了研究悬挂式振动设备启动瞬态共振的产生机理与抑制方法,提出了考虑几何非线性的轴向受力横向大变形柔性吊杆梁模型,并基于异步电机瞬态过程理论,对悬挂式振动设备启动多场耦合瞬态过程进行了数值模拟。采用非线性弹性理论和Euler-Bernoulli梁理论建立了非线性柔性吊杆梁力学模型并进行了数值求解,得到了柔性吊杆自由端横向变形非线性弹性特性曲线。考虑异步电动机瞬态过程,建立了振动设备刚、柔、电启动瞬态过程多场耦合模型。数值仿真结果揭示了振动设备瞬态共振的产生机理和偏心距自调激振方式瞬态共振的抑制机理。在相同条件下,电磁转矩振荡衰减时间在原激振方式下约为0.5 s,在自调式激振方式下低于0.2 s;最大瞬态振幅在原激振方式下为133.89 mm,在自调式激振方式下为90.6 mm,瞬态共振得到了很好的抑制。     

典型细长体翼面结构的振动试验方法

针对典型细长体翼面结构的特点,采用单振动台激振、柔性夹具及多点平均响应控的方法进行振动疲劳试验：通过对试件进行振动载荷虚拟加载,确定目标模态;设计柔性夹具对其进行柔性支持,使试件在柔性夹具支持下共振频率、振型与目标模态一致;通过虚拟加载的方法,研究试件翼面加速度响应,选取加速度响应较大的两个点和较小的两个点进行四点平均,控制振动台的载荷加载。试验结果表明：通过本文方法设计的柔性夹具在振动试验中使试件复现了目标模态;通过虚拟加载方法在试件翼面确定了四个控制点,进行平均控制,精确控制了试验载荷加载。     

振动点载荷试验仪的设计

 为了更加科学地研究点载荷循环加载下不同振动频率、激振力对岩石等材料力学性质的影响,提出一种振动点载荷试验仪设计方法。振动点载荷试验仪的支架底部平台上设置了静压加载装置,支架顶部平台上设置了特制的振动电机,竖向设置的上加压锥与振动电机底部铸造成一体,下加压锥与静压加载装置上部的加压活塞相连并可通过隔板中心孔随之上下运动,上加压锥与下加压锥之间放置试件。通过调整振动电机的偏心块夹角及转速,分别得到不同的激振力及振动频率,可测试出试件在不同激振力、振动频率下的点载荷强度及破坏所需时间,进而通过绘图分析可得到使破岩效率最佳且对掘进机截齿损害最小的振动频率与激振力组合。     

轮式桥面结构疲劳试验机加载系统

设计了基于电液比例控制的轮式桥面结构疲劳试验机(以下简称试验机)液压加载系统。为了确保试验机液压加载系统可以线性控制试验桥面的加载力,设计了加载机构,使得加载机构在最大轮胎变形时对加载力造成的影响小于0.2%。同时,建立了试验机加载系统的仿真模型,对系统的动静态加载进行仿真分析,并通过试验验证。结果表明,设计的试验机加载系统满足控制电压与加载力之间的线性关系,并实现最大15 000 kg的恒压加载工况和2.0 Hz以内振幅1 500 kg的正弦加载工况,能够较好满足当前桥梁疲劳试验的加载要求。     

高负荷轴流压气机喘振时叶片动应力

对某高负荷十级轴流压气机喘振过程中叶片的动应力变化开展了试验研究,结果表明喘振时叶片出口脉动静压首先突增,0.1秒后叶片动应变增长至最高值,叶片第二阶动应力已超过疲劳极限,使叶片产生了高周疲劳损伤,出口脉动静压存在与叶片第二阶频率及叶片通过频率相关的后行波/前行波分量,但没有集中出现在某一固定节径下;对叶片开展了颤振数值模拟,结果表明叶片前三阶的积累功小于零,对数衰减率大于零,未发生颤振;通过增加叶片厚度提高叶片频率来提升叶片抗振能力,叶片根部相对最大厚度从0.076增加至0.089,叶片一弯频率对应的共振转速提高了15.2%;试验表明在75%换算转速进喘时,叶片相对应变降低了18%,本文提高叶片频率的方法很好地解决了工程中出现的转子叶片进喘时动应力突增的问题。     

旋转激振气流下风力机风轮振动及应力谐响分析

风力机叶片的断裂与运行过程中的振动密切相关。本文基于ANSYS谐响应分析法,对小型水平轴风力机在旋转激振气流作用下风轮振动的过程中,叶片表面的应力分布规律进行研究。结果发现：在额定工况下,叶片低阶振动的位移主要发生在挥舞方向上;各阶振动下应力最大的位置均出现在靠近前缘的气动中心线附近,一阶振动应力集中的区域出现在0.20R-0.58R,二阶振动时应力较大的区域出现在0.71R-0.79R,三阶振动时应力较集中的区域出现在0.79R-0.88R,但以一阶振动的应力最大;在低阶振动中,一阶振动时循环应力的往复拉压作用对叶片的影响最大,也是小型水平轴风力机叶片产生疲劳失效的主要诱因。     

基于两轴共振模式的风电叶片疲劳加载监控系统设计

为了缩短风电叶片疲劳测试周期,提出了一种基于电驱动的两轴共振疲劳加载方法。给出了两加载源速度和相位的检测方法,并以此制定了同步控制策略。整个控制系统采用主从式两级网络构架模式,采用高速脉冲计数传感器测量2个加载源的速度和相位,采用激光测距仪测量叶片振幅,并采用Labview软件开发了上位机监控界面。试验结果表明,该监控系统能很好地测量加载源的转速、相位和叶片振幅等特征参数。     

气流激励下某向心涡轮的谐振响应和高周疲劳研究

研究某可调向心涡轮转子叶片表面压力波动特性,以及由此产生的叶片谐振和高周疲劳. 结果表明:涡轮叶片前缘发生高周疲劳破坏,与实际破坏的位置相吻合. 导流叶片尾缘吸力面的强激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流是产生压力波动的主要原因,最大压力波动值出现在叶片前缘. 气流压力波动诱发叶片谐振进而产生高周疲劳,振动过程中涡轮各叶片表现出不同的响应特性,同时产生较大动应力,最大应力位于叶片前缘根部.      

动静干涉下压气机叶轮气动激励与振动分析

为研究离心压气机叶轮的气动激励特征及激励作用下的振动特征,建立了单向瞬态流固耦合模型进行计算分析.利用模态分析确定了叶轮的共振工况,在此工况下进行单向瞬态流固耦合计算.讨论了叶轮与进气弯管和出口蜗壳发生动静干涉时,其表面非定常气动激励的时域与频域特征,并进一步讨论了叶轮在此气动激励下振动时的时域与频域特征.结果表明,叶轮共振时的主要振动分量是基频与共振频率处的振动分量,共振频率处较小的气动激励引发了较大的振动幅值;长叶片吸力面前缘等位置处动应力及离心应力较大,是疲劳失效危险点,叶轮易从此处萌生疲劳裂纹并发生疲劳断裂.      

高温复杂疲劳工况下10%Cr钢寿命特性

汽轮机转子等高温零部件在工作环境下经常受到高低周复合疲劳载荷,高低周疲劳交互作用时,机组寿命会大幅下降。为评价高温复杂疲劳工况下转子钢的寿命特性,分别进行了低周疲劳实验、高周疲劳实验及高低周复合疲劳实验,并分析了各实验工况下的寿命特性。通过对应变与寿命的关系进行分析,发现高低周复合疲劳应变幅比与寿命比在双对数坐标下呈幂函数关系,并以此提出一种研究高低周复合疲劳寿命的新方法。     

快堆二回路钠泵叶轮与导叶叶片数设计探讨

快堆二回路钠泵是目前世界上最先进的第四代核电核心装备之一,在保证安全运行的条件下提升其运行效率至关重要.基于其原型样机的性能要求和限制尺寸,采用一元设计与CFD相结合的方式进行钠泵叶轮和导叶的水力设计并且探究钠泵叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配规律.结果表明:只改变导叶叶片数时,不同的导叶叶片数对钠泵效率和扬程影响的最大差值分别为4.01 %和9.75%的设计参数.设计工况下钠泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为:叶轮叶片数为5、导叶叶片数为8,叶轮叶片数为6、导叶叶片数为9,叶轮叶片数为7、导叶叶片数为11,即导叶叶片数在叶轮叶片数的1.5倍附近时,泵的水力性能达到最优值.符合钠泵性能要求且水力性能最优的叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配方案为:叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11.     

大型离心压缩机闭式叶轮动力特性分析

通过模态分析与尾流激振响应分析,研究了离心压缩机闭式叶轮的动力特性与共振条件.针对尾流激振问题,基于气动计算建立激振力简化模型,提出了考虑激振力相位差的谐响应分析方法,计算出尾流激振产生的动应力水平与动力放大系数;基于IIW焊接疲劳标准计算了叶轮的结构热点应力.数值分析结果表明,在一定转速下,尾流激振产生的应力范围超过截止极限的50%,验证了三重点共振条件有效性的同时,指出了其局限性.