风力机叶片机械损伤动态监测方法与技术研究

发布时间：2020-09-28 10:57

　　叶片是风力发电机组的关键部件,承担将风的动能转换为风力机转子旋转机械能的任务。叶片工作的安全可靠性和能量转换效率对整个风力机组有着十分重要的影响。随着风力发电机组装机容量的不断增大，叶片故障对风力机组安全运行构成很大威胁，所以对叶片进行状态监测非常重要。本文采用理论计算和实验研究相结合的方法，对风力机叶片损伤前后的振动特性变化进行研究分析，找到了叶片损伤与其振动特性变化的定量关系，并开发出了基于振动信号检测的风力机叶片损伤动态监测（原型）系统。首先，对风力机叶片损伤的方式、常见损伤类型、损伤机理进行分析，对风力机叶片状态检测的常用方法，进行了比较研究，提出了基于振动信号检测的叶片损伤动态监测方法。其次，以结构动力学基本方程为理论基础，将叶片看成是根部完全固定的悬臂梁结构，建立叶片运动的物理模型和数学模型。以15kW风力机叶片为例，在ANSYS有限元软件中建立叶片模型，对叶片在损伤前后情况下进行模态分析，得到前5阶固有频率和振型,比较损伤前后叶片动力特性的变化情况，并且计算出损伤前后的一阶模态应变能的变化值，得出损伤前后单元模态应变能改变率的变化规律，获得诊断叶片损伤位置与损伤程度的定量指标。最后，以1.25米风力机叶片为试验对象，建立风力机叶片损伤监测振动测试实验台，构建相应的信号采集系统。同时，基于LabVIEW软件平台，开发了风力机叶片损伤动态监测系统，并与江苏东华测量系统进行了比较研究。实验研究结果表明，本文开发的叶片损伤动态监测系统检测结果准确，性能可靠。
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 课题研究背景与意义
    1.2 风力机叶片损伤监测技术发展现状
        1.2.1 国外发展现状
        1.2.2 国内发展现状
    1.3 本文研究内容
第二章风力机叶片损伤机理以及识别方法
    2.1 造成风力机叶片损伤的原因
        2.1.1 运输、安装过程造成的损伤
        2.1.2 自然环境造成的损伤
        2.1.3 运行过程中造成的损伤
    2.2 叶片常见的损伤类型
        2.2.1 表面磨损
        2.2.2 表面剥蚀与脱落
        2.2.3 材料碳化
        2.2.4 材料脆化
        2.2.5 裂纹与开裂
    2.3 叶片损伤产生的机理
        2.3.1 砂眼产生的机理
        2.3.2 裂纹产生的机理
        2.3.3 雷击造成损伤的机理
    2.4 叶片损伤识别的常用方法
        2.4.1 声发射检测技术
        2.4.2 超声波检测技术
        2.4.3 红外热成像检测技术
        2.4.4 振动检测技术
    2.5 本章小结
第三章模态应变能理论及其在风力机叶片损伤识别中的应用
    3.1 模态应变能理论
    3.2 损伤前后叶片动力特性的有限元计算
        3.2.1 风力机叶片建模方法
        3.2.2 叶片动力学特性有限元分析方法
    3.3 计算实例
        3.3.1 15kW 风力机叶片叶正常状态下的模态分析
        3.3.2 15kW 风力机叶片损伤状态下的模态分析
        3.3.3 模态应变能在叶片损伤前后识别中的应用
    3.4 本章小结
第四章基于振动信号检测的风力机叶片损伤诊断方法
    4.1 叶片振动监测技术
        4.1.1 叶片振动检测系统构成
        4.1.2 叶片振动信号的基本特征参数
    4.2 从振动信号中提取风力机叶片振动模态参数的方法
        4.2.1 提取振动模态参数基本过程
        4.2.2 模态参数识别判断方法
    4.3 基于叶片振动模态信息的损伤诊断方法
        4.3.1 风力机叶片损伤定位方法
        4.3.2 损伤程度判断方法
    4.4 本章小结
第五章风力机叶片损伤动态监测系统的开发及其应用
    5.1 风力机叶片损伤监测系统方案设计
        5.1.1 硬件系统的结构组成
        5.1.2 系统软件的功能设计
    5.2 风力机叶片动态监测系统硬件配置
        5.2.1 压电加速度传感器的选型
        5.2.2 电荷放大器的选用
        5.2.3 数据采集卡的选用
    5.3 风力机叶片损伤监测系统软件开发
        5.3.1 LabVIEW 软件平台简介
        5.3.2 参数设置模块
        5.3.3 数据采集模块
        5.3.4 信号数据处理模块
        5.3.5 参数识别模块
        5.3.6 振型阻尼识别模块
        5.3.7 状态监测与诊断模块
    5.4 系统主要界面设计
    5.5 实验室性能测试
    5.6 损伤检测实验
        5.6.1 实验对象以及试验装置
        5.6.2 实验结果分析
    5.7 本章小结
总结
参考文献
致谢
附录 A 攻读硕士学位期间发表的论文
详细摘要

【参考文献】