风力机桨叶超声波防除冰理论与技术研究
发布时间：2023-03-01 20:36
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。...
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
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
本文编号：3752199
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
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
本文编号：3752199
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