基于动态分析的风力机叶片碳管失效机理研究.pdf

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1、研究与开DOh10．3969／j．issn．1009-9492．2012．06．024基于动态分析的风力机叶片碳管失效机理研究杨壮凌(广东省汕头职业技术学院，广东汕头515041)摘要：风力发电机的碳管是叶尖扰流器和叶片主体的连接轴，现场维护工作中发现风力机气动刹车的碳素纤维管失效事故日益增加。从理论上调查碳管折断的影响因素，并通过GHBladed对一台800kW的发生过失效事故的机型进行验算，验算结果证明，动态失速和叶尖扰流器的转动速度是主要的影响因素。关键词：叶尖扰流器；动态失速；碳管中图分类号：TK83文献

2、标识码：A文章编号：1009—9492(2012106—0085—04FailureMechanismResearchingforCarbonShaft0fWindTurbineBladeBasedontheAnalysisoftheDynamicModelYANGZhuang-ling(ShantouPolytechnic，Shantou515041，China)Abstract：Carbonshaftistheconnectingshaftbetweentipflow-baffledeviceandthema

3、inbodyofwindturbineblade．Failureaccident0fthecarbonshaftisfoundmoreandmorefrequentinmaintenancejobswhenairbrakingrunning．Researchthecauseofthefailureintheoryandcalculateawindturbineratedpower800kWwiththeGHBladed，andfoundthatthedynamicstallandrotatingspeedwhen

4、airbrakerunningaremaininfluencingfactors．Keywords：tipflow-baffledevice；dynamicstall；carbonshaft0概述急制动时，折断的事故存在着有一定的发生率，风力发电机叶片是风力机的关键部件，我国如图1。研究此失效现象的机理，有一定的意义。许多风电场的大功率风力机的使用进入失效事故高发期。现场维护工作中发现风力机气动刹车的碳素纤维管(简称碳管)失效事故日益增加。碳管是叶尖扰流器和叶片主体的连接轴，在正常运行状态，叶尖端面与叶片主体的端

5、面贴合，叶尖扰流器的定位销插人叶片主体的端面定位套，利用液压力平衡离心力和弹簧力，限制叶尖扰流器在液压力的作用下继续转动。正常制动或紧急制动时，启动气动刹车，液压缸释压，叶尖扰流器在此离心力和弹簧力的作用下，向外伸图1折断的叶尖扰流器碳管出，对于800kW的风力机，叶尖扰流器伸出25～30mm，接着在导向套斜齿作用下，转动约90。，金相学的研究表明n，碳管折断与裂纹的扩展从而完成气动刹车动作。有关。裂纹是由于叶片正常工作状态下，碳管与碳管材料为碳纤维增强树脂基复合材料，由定位管过渡棱边发生周期性碰撞而萌生的疲劳裂

6、于这种材料的比强度高，应用在风力机叶片上具纹，从而导致断裂失效。有良好的效果。但是，近年来，此构件在起动紧实际维护工作中，也不排除新更换的碳管发收稿日期：2012—04—22[二二二二二I_』与开发生断裂的现象。不能排除碳管的断裂与动态载大到约90。，此时发生的是典型的动态失速。进行荷、结构设计有关。具体地说，碳管的断裂与动风力机运行工况仿真时，如果忽视这一点，将使态失速有关，与振动的激励力有关，而与传动系得载荷被极大地低估。统的动态反应基本上没有关系。如图2，由于桨叶所受到的气动力1发生在叶尖扰流器上的动态失速

7、增大碳管r-f~dz(1)的载荷其中：为叶片展向长度；△f为叶尖扰流器失速是当叶片弦向与风速形成的攻角增的长度；dL和dD分别为叶素的升力和阻力，且大时(如图2所示)，气流在叶片上的分离随攻角有：的增大而增大，分离区形成涡流，上下翼面压力dL=去pc加dS(2)差减小，升力系数开始减小，形成失速点，如图3所示，此时阻力系数激增。失速性能限制了风dD：去二pGdWdS(3)力机的气动功率的增大，防止风力机过载。其中：P为空气密度；Cl和cd分别为升力系数和阻力系数；W为叶片受到的相对风速；dS为叶素展向面积。显然，

8、动态失速时，由于升力系数C的大幅度增大，升力皿和叶尖扰流器的气动力F将明显增大，从而导致碳管所受弯矩负载的增大，这是碳管折断的主要原因。2动态激励使叶片颤振加剧在时变风的作用下，风力机叶片将发生颤图2风力机叶片失速现象振，而在启动气动刹车时，叶尖扰流器的巨大空气阻力产生叶片颤振的额外激励。显然，此激励越大，颤振幅度越大，叶片振动时产生的交变力作用在碳管上，导致碳管所受载荷