基于超声导波方法的风机叶片覆冰检测

发布时间：2017-10-18 11:37

  本文关键词：基于超声导波方法的风机叶片覆冰检测

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【摘要】：风电作为一种重要的清洁可再生能源,在国民经济中扮演的角色日益重要。而作为风电的主要装置,风力发电机组常常位于高纬度或者高海拔等风力资源较好的地区,这就导致在寒冷的气候条件下,风力发电机组要面临表面覆冰的问题,其中,以风力发电机组叶片覆冰的影响最为严重。为了保证位于易结冰地区的风力发电机的正常、安全运转,风机叶片表面覆冰的检测以及清除就显得至关重要。而在目前的众多检测方法中,基于超声导波的覆冰检测方法以其性能高效,不妨碍叶片的正常运转且价格低廉等优势而备受关注。本文主要研究基于超声导波理论的风机叶片覆冰检测方法。主要研究内容如下:首先,介绍了Lamb波在黏弹性材料中以及复合材料-冰双层介质中的传播理论,并分析了温度变化对导波检测结果的影响。其次,在理论分析的基础上,针对实际风机叶片截断模型,在实验室中研究了温度变化,尤其是低温对Lamb波检测结果的影响。接着分别对覆冰厚度与Lamb波各模态群速度变化间的对应关系进行了有限元模拟和试验研究,初步验证了基于超声导波原理的风机叶片覆冰检测方法。最后,在实验室叶片模型研究的基础上,对实际全尺寸风机叶片(全长53.8m)进行冰洞试验,研究了导波在全尺寸叶片中传播随距离的衰减特性并验证基于导波覆冰检测的可行性。在冰洞试验中,为了增强导波信号,在激励时采用了多个压电片同时进行激励。试验结果表明,超声导波方法可对风机叶片覆冰进行有效检测。此外,由于常规导波检测方法易受温度影响,提出了一种改进的新型压电覆冰检测方法。测试结果表明,该方法不受温度影响且具有更高的覆冰检测灵敏度。
【关键词】：风机叶片 导波 双层介质 覆冰检测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 风机叶片覆冰检测研究现状9-11
• 1.2.2 超声导波检测方法研究与应用现状11-12
• 1.2.3 当前研究存在的问题12-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-14
• 第2章 复合材料板中超声导波的传播特性14-31
• 2.1 引言14
• 2.2 黏弹性层中的导波14-18
• 2.2.1 单轴应力下的黏弹性模型14-16
• 2.2.2 黏弹性层中的Lamb波16-18
• 2.3 复合材料-冰双层介质中的导波18-24
• 2.3.1 复合材料-冰双层介质中的位移场和应力场18-21
• 2.3.2 复合材料-冰双层介质的频散特性21-24
• 2.4 温度对导波检测结果的影响24-29
• 2.4.1 压电驱动器激励剪应力模型24-26
• 2.4.2 激励产生板中Lamb应变模型26-27
• 2.4.3 传感器接收信号模型27-29
• 2.4.4 温度对压电驱动器-叶片-压电传感器系统的影响29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 风机叶片截断模型覆冰检测研究31-45
• 3.1 引言31
• 3.2 叶片模型试验概况31-32
• 3.3 导波激励波形选择32-35
• 3.4 温度对压电驱动器-叶片-压电传感器系统的影响35-37
• 3.4.1 温度影响研究试验过程35-36
• 3.4.2 温度影响研究试验结果分析36-37
• 3.5 叶片模型覆冰检测数值模拟37-39
• 3.5.1 有限元模型37-39
• 3.5.2 ANSYS模拟结果分析39
• 3.6 叶片模型覆冰检测的试验验证39-43
• 3.6.1 叶片截断模型覆冰检测的试验过程40
• 3.6.2 叶片截断模型覆冰检测的试验结果分析40-43
• 3.7 本章小结43-45
• 第4章 原型风机叶片覆冰检测冰洞试验研究45-62
• 4.1 引言45
• 4.2 叶片概况及压电片布设45-47
• 4.3 导波激励频率及波形选择47-51
• 4.4 温度对压电覆冰检测系统的影响51-53
• 4.4.1 温度对压电覆冰检测系统影响试验51-52
• 4.4.2 温度对压电覆冰检测系统影响试验结果分析52-53
• 4.5 压电覆冰检测系统的覆冰检测53-58
• 4.5.1 压电覆冰检测系统覆冰检测试验53-55
• 4.5.2 压电覆冰检测系统覆冰检测试验结果分析55-58
• 4.6 新型压电覆冰检测系统的覆冰检测研究58-60
• 4.7 本章小结60-62
• 结论62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68

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本文编号：1054707