气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究硕士论 本文关键词：叶片，磨损，冲刷，流下，两相
气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究硕士论 本文简介：硕士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究论文题目(外文)：Gas-solidflowerosionwearbehaviorofkeymaterialsofthewindturbine研究生姓名：董晓锋学科、专业：材料加工工程学位类别：工学硕士研究方向
气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究硕士论 本文内容：
硕士研究生学位论文
新
疆
大
学
论文题目(中文)：气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究
论文题目(外文)：Gas-solid
flow
erosion
wear
behavior
of
key
materials
of
the
wind
turbine
研究生姓名：
董
晓
锋
学科、专业：
材料加工工程
学
位
类
别：
工
学
硕
士
研
究
方
向：金属表面改性技术的研究与应用
导师姓名职称：
李
新
梅
教授
论文答辩日期
2013
年
5
月
30
日
学位授予日期*年*月*日
新疆大学硕士研究生学位论文
摘要
流体以一定的速度流过材料表面，在相对运动中，构件或者设备与流体接触的面出现显著的损坏，这种破坏是冲刷磨损的结果。冲刷磨损已经成为许多工业生产中材料破坏的原因之—。在石油化工、水力发电、火力发电、风力发电等行业，普遍存在着两相流和多相流冲刷磨损的现象，冲刷与磨损相互作用，最终导致构件或者设备失效，造成经济损失。
本课题鉴于全球风电发展趋势和我国风电发展的现状，结合新疆地区的具体自然情况，主要研究风力发电机叶片材料在高风沙、高腐蚀等恶劣环境下的冲刷磨损行为。本文以射流理论为基础，具体考察了冲击速度、冲击角、沙粒粒度等因素对玻璃纤维增强树脂基复合材料冲刷磨损的影响及破坏过程。并对粒子速度进行了测量，结合Fluent软件，对气固两相射流和冲刷磨损进行了数值模拟。所获得的研究结果如下：
（1）采用真空袋压成型工艺，制备了玻璃纤维增强树脂基复合材料，拉伸试验中，6层和12层玻璃纤维铺层的平均抗拉强度分别为500
MPa和580
MPa，分析结果表面，沿加载方向的有效承载纤维数越多，其复合材料的拉伸强度越大。
（2）冲刷磨损试验结果表明：
a）玻璃纤维复合材料的冲蚀率随着粒径的减小呈现出先增大后减小的趋势。最大冲蚀率出现在0.109～0.212
mm的粒径范围内，冲蚀率为0.98
g/kg；之后出现了转折，磨损率不再随着粒径的减小而增大；0.380～0.830
mm粒径范围内的冲蚀率最小为0.68
g/kg，约为最大冲蚀率的70%。
b）冲蚀率随着粒子冲击速度的增大而增加，两者近似呈线性关系。冲刷速度为17.4
m/s时的冲蚀率为2.8
g/kg，约为7.9
m/s
时冲蚀率的28倍；由此可见，冲刷速度是影响冲刷率的主要因素。
c）随着冲刷角度的增加，冲刷磨损失重率也随之增加，并在90°是出现最大值，冲蚀率为1.3
g/kg，约为15°时4.3倍，玻璃纤维增强树脂表现出明显的脆性冲蚀特征。
（3）利用粒子状态测量系统测量结果显示出：随着射流出口气体速度的增加和粒径的减小，粒子的速度逐渐增加，基本反映出粒子速度随气体速度的变化趋势。
（4）以粒径为0.109～0.212
mm，射流出口速度为109
m/s为条件，进行数值模拟设置，粒子在100
mm处的速度约为55
m/s。同等条件下粒子测量速度为61.91m/s；模拟结果与试验测试结果较为接近。
（5）结合流体软件Fluent6.3，对气固两相射流和试样在射流空间中的冲刷磨损进行了模拟，该模型能从趋势上较为准确的预测了颗粒相的属性分布。
关键词：
风力机叶片，气固两相流，冲刷磨损
ABSTRACT
The
fluid
velocity
through
the
material
on
the
surface,at
the
relative
movement,the
contact
member
or
equipment
and
the
fluid
surface
appears
significant
damage;
the
damage
is
the
result
of
erosion
wear.
Erosion
has
become
a
cause
for
the
failure
of
many
industrial
productions
of
materials-.
In
the
petroleum
chemical
industry,hydropower,thermal
power,wind
power
and
other
industries,generally
exists
in
two
phase
flow
and
multiphase
flow
erosion
phenomenon,erosion
and
abrasion
interaction,resulting
in
components
or
equipment
failure,causing
economic
losses.
This
paper
in
view
of
the
development
trend
of
global
wind
power
and
wind
power
development
in
China
the
status
quo,according
to
the
specific
natural
conditions
of
Xinjiang
area,erosion
wear
behavior
of
wind
turbine
blade
materials
in
high
sand,high
corrosion
and
other
harsh
environment.
Based
on
the
jet
theory,investigates
the
impact
velocity,impact
angle,particle
size
and
other
factors
on
the
glass
fiber
reinforced
resin
matrix
composite
material
erosion
wear
and
failure
process.
And
the
particle
velocities
were
measured,combined
with
fluent
software,the
gas-solid
two-phase
jet
flow
and
erosion
wear
is
studied
by
numerical
simulation.
The
results
of
the
study
are
as
follows:
(1)
using
a
vacuum
bag
molding
process,preparation
of
glass
fiber
reinforced
resin
matrix
composites,tensile
test,the
average
tensile
strength
of
6
layers
and
12
layers
of
glass
fiber
layer
are
respectively
500
MPa
and
580
MPa;
Surface
analysis
results,effective
bearing
number
of
fibers
along
the
loading
direction,its
tensile
strength
is
greater.
(2)
the
erosion
wear
test
results
show:
a)
Glass
fiber
composite
material
erosion
rate
with
decreasing
particle
size
increases
first
and
then
decreases.
The
maximum
erosion
rate
appeared
in
0.109~
0.212
mm
particle
size
range,the
erosion
rate
is
0.98
g/kg;
after
the
emergence
of
a
turning
point,the
wear
rate
is
no
longer
increases
with
the
reduction
of
grain
size
0.380～0.830
mm
size
range
of
minimum
rate
of
0.68
g/kg,the
maximum
erosion
rate
is
about
70%.
b)
Erosion
rate
increased
with
the
increase
of
particle
impact
velocity,both
approximate
linear
relationships.
Eroding
velocity
for
erosion
at
17.4
m/s
was
2.8
g/kg,about
7.9
m/s
erosion
rate
of
28
times;
thus,scouring
velocity
are
the
main
factors
influencing
the
scour
rate.
c)
Along
with
the
increase
of
impact
angle,erosion
wear
loss
rate
increases,and
the
90°
is
maximum,the
erosion
rate
is
1.3
g/kg,about
15°
4.3
times,glass
fiber
reinforced
resin
shows
obvious
brittle
erosion
characteristics.
(3)
Using
the
measurement
results
of
particle
measurement
system
shows:
with
the
increase
of
gas
jet
exit
velocity
decreases
and
the
particle
size,particle
velocity
increases
gradually,reflects
the
fundamental
trend
of
particle
velocity
increases
with
the
gas
velocity.
(4)
with
diameter
of
0.109mm
~
0.212
mm,the
jet
exit
velocity
of
109
m/s
conditions,numerical
simulation,velocity
of
particles
at
100
mm
is
about
55
m/s.
Measurement
of
velocity
of
particles
under
the
same
conditions
for
61.91
m/s;
the
simulation
results
and
the
test
results
are
close
to.
(5)
Combined
with
the
fluid
dynamics
software
Fluent6.3,the
gas-solid
two-phase
jet
and
specimen
in
jet
space
of
erosion
were
simulated;
the
model
can
accurately
predict
the
trend
from
the
particle
phase
property
distribution.
Keywords:
Wind
turbine
blade,Gas-solid
two
phase
flow,Erosion
wear
目录
摘要I
AbstractIII
目录IV
第一章
绪
论1
1.1
工程背景及意义1
1.2
风力机叶片的研究现状及进展2
1.2.1
风力机叶片材料的发展2
1.2.2
风力机叶片成型工艺的发展3
1.2.3
流体动力学在叶片设计中的应用6
1.3
冲刷磨损的研究概述6
1.3.1
冲刷磨损的定义6
1.3.2
影响冲刷腐蚀的因素7
1.3.2.1
冲刷条件对冲刷磨损的影响7
1.3.2.2
磨粒性能对冲刷磨损的影响8
1.3.2.3
被冲刷材料的性能对冲刷磨损的影响9
1.3.3
玻璃纤维复合材料冲刷磨损的研究9
1.4
本课题的主要研究内容及技术路线9
1.4.1
研究内容10
1.4.2
技术路线10
第二章
玻璃纤维增强树脂基复合材料的制备及试验方法12
2.1
材料选择及试样制备12
2.1.1
试验材料12
2.1.2
试样制备过程12
2.2
试验装置13
2.3
试验条件及方法14
2.3.1
试验条件14
2.3.2
试验方法15
2.3.3
测量与评价方法16
第三章
玻璃纤维增强树脂基复合材料的拉伸性能测试17
3.1
引言17
3.2
拉伸试验方法和条件17
3.2.1
试验仪器17
3.2.2
试验尺寸17
3.2.3
试验注意事项18
3.3
拉伸试验步骤18
3.3.1
试样准备18
3.3.2
夹持与加载18
3.3.3
试验计算公式19
3.4
试验结果分析19
3.4.1
拉伸断裂破坏形式分析19
3.4.2
拉伸载荷一位移曲线分析20
3.4.3
拉伸弹性模量和强度分析21
3.5小结21
第四章
玻璃纤维增强树脂基复合材料冲刷磨损行为的研究22
4.1
引言22
4.2
试验材料与试验方法22
4.3
试验结果及分析22
4.3.1
磨粒粒径对复合材料冲刷磨损失重率的影响22
4.3.2
冲刷速度对复合材料冲刷磨损失重率的影响24
4.3.3
冲刷角度对复合材料冲刷磨损失重率的影响25
4.4
小结27
第五章
气固两相流冲刷磨损数值模拟28
5.1
引言28
5.1.1
自由射流理论28
5.1.2
自由射流的速度分布28
5.2
粒子速度的测量与气固两相射流数值模拟29
5.2.1
热辐射粒子状态测量系统29
5.2.2
电平-时间脉冲信号特征与速度计算30
5.2.3
气固两相流射流的数值模拟31
5.2.3.1
数值模型建立31
5.2.3.2
数值模拟结果32
5.3
冲刷磨损失重率的模拟34
5.3.1
冲刷磨损数值模型的建立34
5.3.2
冲刷结果与分析34
5.4
小结35
第六章
结论与展望37
6.1
结论37
6.2
展望37
参考文献39
致谢43
学位论文独创声明书44
学位论文知识产权权属声明45
V
第一章
绪
论
1.1
工程背景及意义
全球非可再生能源的紧缺，不断加快了再生能源的开发，风能作为其中的一项绿色资源，受到了越来越多的关注，是未来持续发展的新能源之一。根据世界风能协会的最新统计，2011年上半年世界风电新增装机容量达到1840.5万千瓦，累计的装机容量达到2.5亿千瓦，其中，中国新增安装风电机组11409台，装机容量17630.9
MW，累计安装风电机组45894台，装机容量62364.2
MW，年增长39.4%，位居全球第一[1-4]。
装机容量的增多对风力机性能的要求将不断提高，安全、稳定、长寿命的风力机是可持续发展的追求目标。在实现目标的过程中，研究风力机的性能成为热点的方向之一，其中叶片作为风力发电系统中的核心部件，成本约占风力机机组总成本的l/5～l/4，叶片性能的变化直接影响着风力机的实际应用价值。结合叶片作业现场环境，进一步分析该部件性能的变化对实际应用具有一定的参考价值[5-8]。
新疆是我国风资源最丰富的地区之一，占全国可开发风能资源总量的50.17%，拥有达坂城、准葛尔盆地、哈密南北戈壁、百里风区、塔城老风口、额尔齐斯河谷、罗布泊等九大风区。风力发电机在很短的时间内获得了大规模的应用。然而，新疆拥有自身独特的地理和自然环境，多沙漠、风沙大是典型特点之一。同时，新疆也是我国大风天数最多的地区之一，风沙运动也尤为显著，风沙对暴露在外面的设备，如：建筑物，风力发电机，各种露天设备的冲刷磨损影响不容忽视。由于大风天气比较多，风带动沙粒高速运动，一方面起到搬运的作用，一方面在这种搬运过程中，对处在其中的物体造成强烈的风蚀作用，导致流过件表面被严重冲刷磨损，长期在这种风沙作用了导致失效，引起事故隐患，对设备的损伤破坏不容忽视[9-10]。
在新疆风电场的实际运行环境中，风力机叶片在承受强大的风载荷的同时，还要抵抗沙粒的冲击，双重作用将对其是一个严峻的考验，风力机叶片的受力情况变得复杂。风沙的悬移，跃移和蠕移三种不同的运动形式对叶片将产生不同的冲磨损伤影响。针对风沙流下叶片性能的变化情况，进行风力机叶片材料的冲刷磨损试验。从材料的组织结构上，研究叶片在风沙环境下的材料性能变化情况，分析结果对叶片的设计提供一定依据，使其更好的应用于新疆特殊的环境中，从而创造更大的经济效益。
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