风力机桨叶超声波防除冰理论与技术研究

论文摘要

在湿冷地区运行的风力机组,结冰是影响风力机安全可靠性的主要因素之一。桨叶覆冰使风力机组效率降低,输出功率减少,严重覆冰时还将导致机组的非计划停机,影响电网系统的安全稳定运行。由于目前还没有成熟的风力机桨叶除冰技术,本文提出了一种基于超声波技术的桨叶除冰新方法,探明了超声波对覆冰的作用机理,推导出界面剪切应力集中系数与输入功率之间的定量关系。通过建立压电结构耦合分析的计算模型,计算得到换能器不同安装距离下的最佳除冰频率,所得结论与实验结果相吻合,基于此,超声波的风力机桨叶除冰技术是有效的。本文对桨叶的覆冰机理与影响桨叶覆冰的因素进行了研究。根据桨叶覆冰的特点,在Solidworks软件中建立洁净与覆冰桨叶的物理模型,借助有限元分析软件ANSYS,计算了桨叶在静止状态下、旋转状态下及不同覆冰厚度下的前五阶固有频率与振型,得到转速、覆冰厚度对桨叶动力特性的影响,这些研究为桨叶覆冰状态检测提供了理论依据。利用所建立的桨叶覆冰物理模型,对覆冰桨叶进行耦合计算,得到覆冰与基板界面处的节点应力值,并与覆冰的最大粘附应力0.4MPa进行比较,得到应用于风力机桨叶的最佳除冰频率及换能器的安装间距。本文建议选用最佳除冰频率93.1kHz,换能器安装间距12mm。在理论研究的基础上,开发出了超声波防冰、除冰原型装置6套。并在人工环境实验室中模拟大气结冰环境,监测不同气象条件对桨叶覆冰的影响,得出覆冰厚度与温度、湿度、时间之间的关系曲线。同时,利用自行开发的超声波防冰除冰原型装置对覆冰基板进行除冰实验,并将实验结果与数值计算结果进行对比,验证超声波除冰技术在实际应用中的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外风力机防除冰技术发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 存在的难点问题
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 风力机桨叶覆冰机理与影响因素分析
• 2.1 风力机桨叶覆冰机理
• 2.1.1 桨叶覆冰的气象条件
• 2.1.2 桨叶覆冰的分类
• 2.2 桨叶覆冰的影响因素分析
• 2.2.1 气温对桨叶覆冰的影响
• 2.2.2 空气湿度对桨叶覆冰的影响
• 2.2.3 不同相对风速对桨叶覆冰的影响
• 2.2.4 桨叶材料特性对覆冰的影响
• 2.2.5 桨叶气动参数对覆冰的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 覆冰状态下风力机桨叶动力特性有限元分析
• 3.1 风力机桨叶的三维实体建模
• 3.1.1 基于 SolidWorks 的风力机桨叶建模方法
• 3.1.2 桨叶实体建模举例
• 3.2 覆冰桨叶动力特性的有限元分析方法
• 3.2.1 振动系统的基本方程
• 3.2.2 覆冰桨叶的有限元动力方程
• 3.2.3 桨叶在旋转状态下的振动方程
• 3.2.4 风力机桨叶频率谱响应分析
• 3.3 计算实例
• 3.3.1 15kW 风力机桨叶在静止状态下的模态分析
• 3.3.2 15kW 风力机桨叶在旋转状态下的模态分析
• 3.3.3 风力机桨叶在不同覆冰厚度下的模态分析
• 3.4 风力机桨叶在不同覆冰厚度下的谐响应
• 3.5 本章小结
• 第4章 风力机桨叶超声波除冰理论与方法
• 4.1 存在于覆冰与复合基板之间的导波
• 4.1.1 结构分析
• 4.1.2 Lamb 波和 SH 波在板层中激发的位移场
• 4.1.3 板层中的应变场
• 4.1.4 Lamb 波和 SH 波在板层中激发的应力场
• 4.2 超声波除冰机理与能耗
• 4.2.1 超声波的除冰机理
• 4.2.2 除冰的能耗
• 4.3 超声波除冰的数值模拟
• 4.3.1 剪切应力的定义
• 4.3.2 计算模型的建立
• 4.4 有限元数值计算及结果
• 4.4.1 节点的选取
• 4.4.2 计算结果
• 4.4.3 不同极化方向下的最佳除冰频率
• 4.4.4 圆片状压电陶瓷片的最佳除冰频率
• 4.5 本章小结
• 第5章 桨叶超声波除冰装置开发及其实验研究
• 5.1 胶结结构中的超声场数学模型
• 5.1.1 超声波在胶结结构中的传播模型
• 5.1.2 胶结结构中超声场的位移传递矩阵
• 5.1.3 界面处应力表达式
• 5.2 除冰装置原型系统研制
• 5.2.1 系统的结构设计
• 5.2.2 系统的主要性能设计
• 5.3 超声波除冰的实验方案与设备
• 5.3.1 实验条件与实验设备
• 5.3.2 实验内容
• 5.3.3 实验基本步骤
• 5.4 实验结果及实验数据处理分析
• 5.4.1 气象条件对桨叶覆冰的影响
• 5.4.2 不同频率换能器与不同覆冰厚度对除冰效果的影响
• 5.4.3 不同频率下除冰比功率的计算
• 5.5 工程中的换能器参数确定及其安装方法
• 5.5.1 换能器频率的选择与安装部位的确定
• 5.5.2 换能器在桨叶内部的安装
• 5.6 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研情况
• 中文详细摘要
• 英文摘要