基于压电陶瓷的风机叶片模型表面覆冰状态主动监测

摘要

随着全球以及我国经济的快速发展，对能源的需求也不断增加，提出可靠有效的解决方案迫在眉睫。而风能作为清洁无污染的可再生能源得到了大家的广泛认同，国内外已经把风力发电作为新世纪最具开发前景的新能源之一。在风电场迅速发展的同时，也存在着一些亟待解决的问题。寒冷地区尤其是我国南方山区的高湿低温严酷环境易导致冰灾。当风机叶片出现覆冰状况时，不仅会改变叶片的气动性能造成功率损失，同时也会改变叶片原来质量分布造成风机运行不稳定，严重时甚至会导致叶片不同程度的破坏甚至停机。因此发展高效可靠的风机叶片覆冰监测技术对防冰除冰具有重要意义。本文提出一种基于压电陶瓷应力波测量的风机叶片覆冰主动监测方法。具体的工作内容如下:
　　(1)介绍了压电陶瓷材料的工作原理及其基本特性，设计并制作了伸缩型和剪切型压电激励器与传感器，并通过后期的正弦激励信号试验验证了其静态以及动态试验性能的稳定性。
　　(2)在实验室设计并制作了三枚相同的玻璃钢叶片模型，长均为一米。并将制作好的压电激励器与传感器覆盖安装在指定位置，利用波动法对设计的不同传感器不同工况条件进行了状态监测。
　　(3)对叶片模型进行模拟覆冰试验，根据波动法原理对驱动器输入正弦电压信号作为激励，记录不同传感器在不同结冰厚度下的响应信号，并对测量信号进行分析处理。
　　(4)系统介绍了小波包能量的相关原理和理论，确定了基于波动法的小波包能量的分析方法。通过小波包能量值及其评价指标对叶片表面覆冰厚度进行评价。结果表明，同一压电陶瓷片接收信号的小波包能量与结冰厚度存在明显关系。本文提出的方法可为有效监测风机叶片的结冰提供新的手段，具有工程应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 风力发电发展概况

1．2．1 引言

1．2．2 世界风力发电发展概况

1．2．3 我国风力发电发展概况

1．2．4 风力发电机叶片材料的发展概况

1．3 低温高湿环境下的风机叶片覆冰问题

1．3．1 积冰类型

1．3．2 积冰对风机的影响

1．3．3 风机叶片结冰检测技术国内外研究概况

1．4 本文的主要研究内容

第2章 压电材料与其在结构状态监测中的应用

2．1 智能材料

2．1．1 引言

2．1．2 智能材料分类

2．2 压电材料

2．2．1 压电材料发展历程

2．2．2 压电材料分类

2．2．3 压电效应

2．2．4 压电材料的相关参数

2．2．5 压电关系式

2．3 结构状态监测中的应用

2．3．1 结构状态监测概述

2．3．2 结构状态监测系统

2．3．3 状态识别

2．4 基于压电陶瓷的结构状态监测技术

2．4．1 基于压电陶瓷的被动状态监测

2．4．2 基于压电陶瓷的主动状态监测

2．5 本章小结

第3章 基于压电材料的叶片覆冰监测原理

3．1 引言

3．2 压电陶瓷传感器

3．2．1 压电陶瓷材料的选取

3．2．2 传感器与被测结构的结合方式

3．3 监测原理

3．4 本章小结

第4章 风机叶片模型的主动覆冰监测试验

4．1 引言

4．2 压电陶瓷片及传感器制作

4．2．1 压电陶瓷片的基本原理及分类

4．2．2 伸缩型和剪切型压电陶瓷片

4．2．3 伸缩型和剪切型压电传感器

4．3 叶片模型及PZT片的布置

4．3．1 试验构件的设计与制作

4．3．2 PZT片在模型叶片上的布置

4．4 叶片模型覆冰监测试验

4．4．1 监测系统组成

4．4．2 试验方案

4．5 波动法信号处理方法

4．5．1 选取信号

4．5．2 信号采样

4．5．3 信号滤波

4．6 正弦幅值信号分析

4．6．1 正弦激励信号下伸缩型PZT结果分析

4．6．2 正弦激励信号下剪切型PZT结果分析

4．7 本章小结

第5章 扫频激励下基于小波包能量的叶片覆冰监测

5．1 小波包能量分析法

5．1．1 小波包分析法的发展历程

5．1．2 小波包能量法的原理及基函数选取

5．2 基于小波包能量的时域分析方法

5．2．1 信号滤波

5．2．2 覆冰模拟

5．3 信号处理和结果分析

5．3．1 小波包能量值定义

5．3．2 评价指标

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)