风机叶片强度可靠度对叶片参数的灵敏度分析

风机叶片是风力发电机的关键部件。大型风机叶片的高强低质,能够进一步提高风机装机容量,实现风能的高效利用[1]。叶片强度直接影响叶片的工作效率及叶片的安全性。

为了保证风机叶片的强度,一些文献对大型风机叶片的参数、对风机叶片的强度及功率参数进行了研究,美国能源部[2]的研究报告中提出增加风机叶片长度在保证强度情况下能够提高风机的功率。张建平[3]等人研究了风机叶片弦长对风机叶片强度的影响。祝水琴[4]等人基于Matlab研究了弦长和扭角对叶片的影响。邓海龙[5]研究了叶片厚度对风机叶片强度的影响。本文以大型风机叶片强度的可靠性研究出发,并运用Monte-Carlo模拟法与三维空间响应面法最终得到风机叶片强度的可靠度对风机叶片各种参数的灵敏度,为风机叶片强度可靠性提供依据。

在二十世纪九十年代以前,少有文献涉及到风机叶片强度可靠度及叶片参数灵敏度等分析研究,Veers[6]在设计研究风机时发现风机的随机性与不确定性,首次对风机叶片的设计进行了可靠度分析。随后,Ronold等[7]针对风机叶片的疲劳问题进行可靠度分析。二十一世纪初以来,越来越多的学者针对风机叶片可靠度进行研究,可靠度分析在风机上的应用越老越多。

1.风机叶片模型建立

风机叶片最初是通过飞机机翼的灵感制作出来的。因此,风机叶片截面的形状有翼型标准要求,但风机叶片易受周边环境影响,造价较高。因此,国际上的风能发达的国家从20世纪80年代开始研究风机叶片新标准,并且改进了自己国家的新标准。本文建立的风机叶片模型参考5MW风机叶片模型如图1。

5MW风机的转子高度为90m,轮毂直径3m,叶片为3个,单个叶片长度达到61.5m。变桨距调节,能更加有效地将风能转变为电能。根据SL1500风力发电机的相关数据,绘制的三维模型如图2。

2.基于响应面法建立叶片强度峰值状态函数

设风机叶片的应力峰值F0,建立叶片应力峰值状态函数如公式1所示,其中参数向量X为函数的自变量,叶片应力峰值状态函数G(X)的数值大小反映了叶片强度的可靠度。

参数的灵敏度对风机叶片强度可靠度影响分析:

灵敏度定义为一个系统或结构对其参数的变化而变化,由此可以判断参数的变化对系统产生的影响程度[8]。以叶片应力强度极限状态函数G(X)作为叶片强度的可靠度,因此叶片强度的可靠度对相关参数的灵敏度分析,就是参数的灵敏度对风机叶片强度可靠度影响分析。

应用Monte—Carlo模拟法可实现应力峰值状态函数对叶片参数自变量参数的灵敏度分析,得到叶片应力峰值状态函数G(X)与参数 的灵敏度的关系可表示为:

3.实例分析

本文以1.5MW风机叶片为研究对象,并分析风机叶片强度可靠度对叶片长度、叶片弦长、叶片扭角及叶片厚度的灵敏度。叶片长度、叶片厚度参数对应力有较大的影响,选取这些参数为自变量,建立峰值状态函数。完成抽样后,对风机叶片进行多次有限元分析,得出参数样本点下的风机叶片应力响应值。通过建立风机叶片有限元模型,对其进行有限元分析得出风机叶片的应力分布规律。图3给出样本点3参数下风机叶片的应力分布,得知根部应力最大值为134MPa。

应用Design-Expert软件,依据各样本点、响应值得出风机叶片应力峰值三维度响应面(图4)和应力最大值响应函数(公式3)。

因此,基于响应面方法得到应力强度峰值可靠度与叶片长度、叶片弦长、叶片扭角及叶片厚度参数的数学关系式,最终确定可靠度函数。

为得到各参数对叶片强度极限值的可靠性的影响程度,应用Monte-Carlo模拟法,最终得到风机叶片应力峰值可靠度与设计参数灵敏度的相关系数,如图5所示。

4.材料刚性对风机强度的影响

如果风机长时间在高强度的振动条件下运行的话,就会影响风机的强度并且降低可靠度。这很有可能导致风机工作出现故障,严重影响风机的使用。

在叶片进行工作的过程当中会受到很多的自然因素的影响,因受各类因素影响,叶片旋转速度将慢慢的变快,因此带来的负荷也会越来越大,造成这种现象的一个很重要的原因就是材料的变型。

伴随着风力发电技术的不断发展,风力发电机塔筒倒塌的事故也时有发生(如图6),塔筒倒塌的原因除了由于风力过大,大多数情况还与螺栓强度的不足或在安装过程中螺栓紧固不当等问题有关。

塔筒是风力发电机组件中起支撑作用的部件,如果出现破损,会对整个风力发电机中的其他设备的安全运行产生巨大的威胁。尤其当风力发电机并入电网之后,一台风力发电机出现问题将会对其相连的局部电网的安全带来潜在的影响。风力发电机是由大量的部件组成的,塔筒作为风力发电机重要的组成部分,确保塔筒之间的连接可靠尤为重要。而且螺栓连接作为风力发电机组大多数部件的主要连接方式,螺栓的连接安全性,将会直接影响到风力发电机运行的可 靠性。

因此,为了更好的确保风力发电机可以在各种工况条件下进行工作,以防出现疲劳断裂等事故,需要对塔筒的上、中、下三段塔筒连接处的法兰螺栓进行强度校核。随着叶片转速不断提高,它的离心力也不断的加大,当离心力达到极限值将很容易出现安全事故。在这种情况下,材料的性能对风机叶片的影响显得很突出,但是这种平衡将会受到一种很大的影响,这就需要很好的分析设计出能够增强风机叶片在这类环境中也能保持强度可靠度的方案。

5.风机叶片故障系统优化设计

硬件的设计需要多方面考虑。

首先就传感器而言,在设计传感器的过程中,一定要选择质量较高的硬件设备。因为设计过程当中,如果传感器的质量不能保障,那么在使用过程中,就容易发生故障。在选择传感器时,应以其振动的频率作为一个重要标准。

其次是存储器的质量。在设计存储器时,要设计工作效率更高的。因为存储器既可以高效分析风叶的电机频率,还能及时应对处理故障区域。在处理信号的过程当中将数值设置值加大,这使得准确度更高。

设计CPU,可以应对功能强大的杂波同时进行有效的处理,提升转换信号的速度。

在设计继电器时,同样要求高质量,高效率。能够有效保障其安全运行和转速线路采集。风力发电的经济现状在不同国家和市场有不同的表现,但从全球发展的共同趋势来看,它是能源领域有利于可持续发展的投资之一。与一些传统能源发电厂比较,风力发电是最有竞争力去取代它们的能源。风电的经济性随着科学技术不断进步和运营成本下降而不断稳步提高。风力资源作为可持续能源对环境的改善变的越来越重要,它会在未来时代发展过程中成为重要的能源。

塔筒的经济性首先体现在塔筒的生产成本上。设计塔筒时,要尽量满足制造周期短,耗费最少的要求。要降低塔筒的成本,首先要采用轻型的零件结构,以降低材料消耗。采用少余量或无余量的毛坯或简化零件结构,以减少加工工时。这些措施都可以极大地降低生产成本。工艺性良好的结构就意味着加工及装配费用低,可以极大地降低生产成本。

材料尽量使用廉价而供应充足的材料以代替贵重材料。对于比较大的零件可以使用组合的方式,都可以在降低材料费用方面起到积极的作用。另外,尽可能采用标准化的零件,就可在经济性方面取得很大的效益。

如果能够综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素,零件材料的经济性会提高到一定高度。为了满足零件在经济性分析上的合理性,延长零件的使用的寿命周期,也可以从工序、所用的夹具、所加工的设备及生产流程上一步步进行优化,使整个生产达到零损耗,降低设计成本。

6.结论

风机叶片故障系统优化设计能够解决很多风机叶片故障问题。并且我们也可以以此对风机的叶片振动进行分析研究。同时,经过叶片参数灵敏度分析得出结果:叶片强度可靠性对叶片长度、叶片弦长、叶片扭角、叶片厚度的灵敏度分别为-0.624、-0.532、-0.233和0.158。

根据灵敏度数值大小得出:叶片长度对强度可靠的影响最大,叶片厚度最小,叶片弦长、叶片扭角介于二者之间。

因此减小叶片长度、叶片弦长、叶片扭角或增加叶片厚度可提高叶片强度的可靠性。

摘要：为保证风机叶片强度,本文基于响应面法构建了叶片强度的极限状态的函数,得到叶片强度可靠度与各相关参数的数学关系式,应用Monte-Carlo模拟法得出风机叶片强度可靠度对各参数的灵敏度的表达式。以大型风机叶片为例,分析得到了风机叶片可靠度对叶片长度、叶片弦长、叶片扭角、叶片厚度的灵敏度,分别为-0.624、-0.532、-0.233和0.158。结果表明:叶片长度对强度可靠性影响最大,叶片厚度最小,设计时依此调整参数可提高叶片强度的可靠性。

关键词：响应面法,叶片强度,可靠度,灵敏度分析

参考文献

[1] 苏利营.兆瓦级风电机组叶片的力学特性研究[D].兰州:兰州理工大学,2014.

[2] 美国风机叶片长度增加促风电产量增长[J].农业工程技术,2012,(9):18.

[3] 张建平,韩熠,李冬亮,等.基于Davenport谱风机叶片旋转状态下的应力分析[J].沈阳工业大学学报,2014,36(3):252-257.

[4] 祝水琴,谈志强.基于Matlab的风机叶片气动外形的设计及优化[J].机械强度,2013,35(6):855-858.

[5] 邓海龙.铺层参数对复合纤维风机叶片性能的影响分析及结构优化设计[D].内蒙古:内蒙古大学,2010.

[6] VeersPS.Fatigue Reliability of wind Turbine Com-ponents[R].Sandia National Labs.:Albuquerque,NM,USA,1990.

[7] Ronold KO,Larsen GC.Reliability-based design of wind-turbinero to rbla desaga inst failure in ultimate loading[J].Engineering Structures,2000,22(6):565-574.

[8] 荣辉,范培卿,丁洪生.六自由度并联平台的灵敏度分析与参数优化[J].机械设计与研究,2012,23(1):34-36.