复合材料风力发电机叶片静力加载测试装备结构设计毕业论文
2021-11-07 20:59:33
摘 要
风电叶片是风力发电机的主要部件,是风电机组进行能量转换的重要部分。风电叶片在工作过程中承受着不可预测的外部载荷,其结构刚度和强度对风电机组整体的质量和可靠性至关重要，为确保叶片在运行过程中稳定可靠,每种风电叶片在出厂和安装之前都要经过各种加载试验检测，静力加载试验使其中一项必不可少的检测过程，是风轮叶片取得认证前及其重要的环节。风电叶片静力加载装备是静力试验中主要设备之一，因此开展本项研究，具有重要的现实意义。 本文以5kw复合材料风电叶片作为试验对象，开发了由卷扬机驱动的风电叶片垂直静力加载系统。主要研究工作如下：
首先，研究了风电叶片的静力加载要求和试验载荷的确定方法；分析了现有风电叶片静力加载装置的结构形式、加载类型、原理和控制方式；根据研究对象的特点，确定了本次设计的总体方案。
其次，完成了加载装置的结构设计，包括卷扬机驱动方式的选择、电动机选型；对加载基座和加载点叶片夹具进行了结构设计；用SolidWorks软件对整个系统进行三维建模；对静力加载控制方案进行了概述。
最后，利用SolidWorks对关键部件进行了有限元分析，结果显示装置的强度和刚度满足静力试验要求。
关键词：复合材料风电叶片；静力试验；垂直加载；有限元分析；
Abstract
Wind turbine blade is the main component of wind turbine and an important part of wind turbine energy conversion. Wind-power blades in the working process of the unpredictable under external load, the structural stiffness and strength of wind turbines is critical to the quality and reliability of the whole, in order to ensure the blade is stable and reliable in operation, each wind blade before factory and installation, it takes all kinds of load test, static load test one of the indispensable process, turbine blades is prior to the issuance of certification and the important link. Static loading equipment of wind turbine blade is one of the main equipment in static test, so it has important practical significance to carry out this research. In this paper, a vertical static loading system of wind turbine blades driven by a winder is developed with 5kw composite wind turbine blades as the test object. The main research work is as follows:
Firstly, the force on the blades is analyzed and the wind load of the blades is calculated. The static load requirement of wind turbine blades and the determination method of test load were studied. The structural form, loading type, principle and control mode of the existing static loading device for wind turbine blades are analyzed. According to the characteristics of the research object, the overall scheme of the design is determined.
Secondly, the structural design of the loading device is completed, including the selection of the driving mode of the winch, the selection of the motor and the selection of the transmission mode. The structural design of the loading base and the loading point blade fixture is carried out. SolidWorks software is used for 3d modeling of the whole system. The static load control scheme is summarized.
Finally, the finite element analysis of the key components using SolidWorks is carried out, and the results show that the strength and stiffness of the device meet the static test requirements.
Key Words： Composite wind turbine blades； Static test； The vertical load； Finite element analysis
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及选题意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 选题意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 风电叶片测试与认证 2
1.2.2 国外发展现状 3
1.2.3 国内发展现状 3
1.2.4 本文研究的主要内容和技术路线 4
第2章 风电叶片静力加载系统总体方案设计 5
2.1 测试对象 5
2.1.1 风电叶片主要参数 5
2.1.2 风电叶片静力试验要求 6
2.1.3 试验载荷的确定 6
2.2 风电叶片静力加载装置总体方案设计 7
2.2.1 加载类型 7
2.2.2 加载设备 8
2.2.3 加载方案设计 8
2.3 本章小结 8
第3章 风电叶片静力加载装置设计 9
3.1 加载装置设计 9
3.1.1 驱动方式选择 9
3.1.2 电动机选型 9
3.1.3 叶片夹具设计 10
3.2 风电叶片静力加载控制系统设计 10
3.3 本章小结 10
第4章 主要部件有限元分析 11
4.1 三维模型建立 11
4.1.1 加载基座三维模型建立 11
4.1.2 定滑轮部件三维模型建立 12
4.1.3 动滑轮部件三维模型建立 12
4.2 有限元分析 13
4.2.1 有限元分析过程 13
4.2.2 加载基座有限元分析结果 13
第5章 总结与展望 13
5.1 总结 13
5.2 展望 13
绪论
研究背景及选题意义
研究背景
随着能源资源紧缺和环境恶化凸显，特别是以全球变暖为重要特征的气候变化的日趋明显，构建可再生能源体系已成为必然趋势。经过多年发展，风力发电技术越来越成熟，开发规模不断增大，具有很大发展潜力，越来越受到全球范围内的关注和重视。目前全球风电装机总量已经超过了1亿千瓦，风电已经成为世界能源的重要组成部分。
近年来，我国风电产业也在随着行业趋势迅猛发展。图1.1为2008-2019年中国风电发展的基本情况，2019年全国新增风电装机容量2579万千瓦，累计并网装机容量达到2.1亿千瓦。十年间，我国风电累计装机增长了17倍，年均复合增长32%;风电发电量增长了26倍，年均复合增长39%。预计到2020年按照十三五规划达到2.1亿千瓦以上，风力发电年发电量确保达到4200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%。我国风电已具备了从“补充能源”向“替代能源”转变的基础，并且正在向主导能源的方向发展。
图1.1 2008-2019年我国风电累计装机容量
选题意义
风电叶片是风电机组关键部件之一，相比于风电场其他部件其质量稳定性较差，其质量好坏对整个机组的工作效率影响较大。在单机容量为1.5MW～2.5MW的风电机组发生的各类质量事件中，叶片类事件高达2/3。今年来，随着风力发电技术的进步，风力发电机的功率不断增大，低风速大型风电机组应用越来越广泛，叶片尺寸规格也不断增大，对叶片的质量稳定性要求也越来越高。为了保证叶片质量和风力发电机组的安全性，提升发电效率。根据IEC IEC61400-23最新检测标准，所有新式风电叶片均需做静力加载试验。静力试验是叶片测试中最重要的一项，主要实现以下三个试验目标:一是检验叶片是否含有充分的静强度储备及抵抗极限载荷的能力;二是检验叶片设计的可靠性、准确性及制造工艺的合理性，以得到叶片的出厂认证；三是为结构优化再设计及制造工艺的完善提供数据保障。
现有的风电叶片静力加载装置的结构形式多为侧向加载，其缺点是占用空间较大，精度较低，适用于大型风电叶片或叶尖挠度较大叶片，因此需要设计一种结构紧凑，使用方便，适用于小型叶片的静力加载装置。
国内外研究现状
风电叶片测试与认证
风电叶片的测试与认证标准是规范风电行业的管理、监督风力发电机组的生产质量、保证风电产品可靠性和安全性的重要依据，也是风电产业飞速发展的必要机制，其与风电产业的健康稳定发展有不可分割的联系。因此风电叶片等相关部件的认证和测试逐渐成为关注的焦点。
在风电机组在装配之前，叶片等主要部件都要经过严格的测试和认证。风电叶片需要在模拟环境中承受一定的静载荷和疲劳载荷并保持一定的时间长度。 新型叶片的研发、生产、安装、运行过程中均需要进行完整的风电叶片检测项目，其中包括静力试验、疲劳试验、模态试验、无损检测、现场检测等。静力试验是用来检测叶片的结构强度和刚度，是最主要和最基本的检测项目，为其他检测项目提供依；疲劳试验的目的是确定叶片的疲劳特性，在测试过程中叶片要承受规定次数的循环载荷；模态试验用来测量叶片的各阶固有频率、阻尼比等固有特性；无损检测用来检测叶片是否有生产缺陷或其他原因造成的损伤；现场测试的目的是检测叶片的运行状况，测试内容包括转速、叶片变形量、叶片表面压力等。
国外发展现状
国外的风电叶片检测起步早，欧美主要的叶片制造商都拥有自己的叶片检测中心，并形成了比较完备的叶片检测标准和认证体系。Fagan E M等人提出了对13 m长的玻璃纤维环氧复合材料风力涡轮机叶片的实验测试，建立有限元模型并根据测试结果对其进行校准，该模型显示出与测试结果的良好对应性[25]。Lee等人研究了一个48.3m的风力涡轮机叶片，该叶片经过了初步的的静态测试，在进行疲劳测试后出现结构崩溃，分析破坏过程，提出一种新型层压板图案以增强疲劳损坏的风力涡轮机叶片的残余强度[26]。Da La Torre等人使用Whiffle树测试仪对风电叶片进行静态测试，并使用激光扫描仪以高精度确定刀片的挠度，将定制设计的有限元模型结果与测得的叶片响应进行比较，使用多目标遗传算法和有限元建模进行了优化，以确定玻璃纤维增强聚丙烯复合材料叶片的最佳结构设计[27]。Koorn等人研究了一种叶片组件测试装置，该装置适用于研究在静态和疲劳载荷条件下的后缘故障，这是对后缘叶片设计的实验验证的一种改进，通过FE模型描述和研究了测试设置和设计驱动程序，得到34m风力涡轮机叶片获得的全尺寸叶片截面子组件的静态和疲劳测试结果。此外，讨论了实验结果并将其与有限元模型进行比较，以描述和研究后缘破坏机理[28]。Edward等人使用Whiffle树测试设备分别对两个由玻璃纤维增强聚丙烯和碳纤维制成的叶片执行静态测试，以确定叶片的结构响应，进行比较，优化研究中利用经过验证的有限元模型，使用多目标遗传算 法来确定沿叶片长度的最佳层压板厚度，以达到最大程度地提高刚度并减少玻璃纤维叶片的质量的目的[29]。
国内发展现状
目前国内外很多试验工厂都对风电叶片静力加载试验已经进行了相应的分析和研究，这些研究均主要包括试验方法、试验装备以及叶片破坏形式等等。张蕾等人为了克服传统液压加载加载精度低、响应速度慢的缺点，开发了新型大型叶片电动加载试验台，使用多轴变频系统和多台变频电机共同组成加载装置。控制系统采用闭环控制。试验过程中，由拉力传感器采集加载的拉力值，并及时的传给控制器，进而实现对加载力的准确控制，使柔性较高的叶片能够连续、稳定、同步加载，其性能能够满足大尺寸风电叶片静力加载试验要求[8]。山东理工大学崔庆针对目前风电叶片静力加载实验过程中，各个节点加载力互相耦合、不能协调变化、加载精度低等问题，提出一套竖向静力加载测试方案，采用液压泵站作为动力源来驱动卷扬机，并设计了基于灰色预测及模糊控制的多节点加载力协调控制算法，将该算法应用于加载系统进行仿真验证，取得了较好的工程应用效果[9]。山东理工大学李祖磊首先对叶片静力实验中钢丝绳的卷绕过程进行了仔细分析，然后采用正交试验、动力学仿真及有限元静力分析的方式实现了牵引支架的优化设计[10]。廖高华等人针对静力加载过程中节点之间相互耦合影响使加载拉力的精度难以保证的问题进行研究，对液压动力系统进行了研究和设计，开发了基于模糊控制理论的参数自整定 PID控制器系统，采用LabVIEW和AMESim 软件对静力加载控制系统进行了仿真，仿真表明模糊 PID 控制器具有良好的抗干扰能力，加载力得到了较好的控制效果 [11]。南昌工程学院毛雨潇等人针对液压式风电叶片静力加载装置调试范围窄、响应速度慢、牵引力耦合复杂等问题，设计了基于伺服驱动技术的静力加载装置，采用PID控制算法进行系统控制。试验结果显示，系统加载过程中加载点牵引力能够保持协调、平稳加载，具有较强的抗干扰能力，满足风电叶片静力加载要求[12]。
本文研究的主要内容和技术路线
本文主要研究内容如下：调研收集分析有关资料，了解现有叶片静力加载装置基本结构形式，分析总结其优缺点；选择叶片静力试验的加载设备；确定叶片静力加载装置构设计方案；进行叶片静力加载装置的装配图和零件图的设计；整理资料，完成毕业论文的写作，准备好答辩工作；完成毕业论文的答辩工作；
本次设计采用的技术方案如下：根据调研分析，了解复合材料风力发电机叶片静力加载测试装备的基本原理；设计试验台、负荷点叶片夹具和根部固定装置；进行结构设计计算和分析；确定基本尺寸并用SolidWorks软件对其进行三维建模；用有限元分析软件进行计算分析，对局部结构进行优化；确定全部参数，进行二维工程图的绘制；
风电叶片静力加载系统总体方案设计
测试对象
本次设计的测试对象为某5kw复合材料风电叶片。
风电叶片主要参数
表2.1 某5KW风电叶片相关参数
