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风机叶片在台风中结构破坏的分析

2012-07-10 16:39
龙凰
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  当风流变化的频率接近风机叶片的固有频率时,就会激起叶片的共振,这对一个刚性叶片来讲,就是一个荷载了,本文把这次热带气旋——台风“杜鹃”大风急湍流变化所带来的叶片共振表述为叶片的极端疲劳荷载,这是一个非运行荷载。通过下述对叶片失效的调查性分析,我们将会看到这类荷载对风机叶片所造成的损害。

  众所周知,一些材料可以经得起一次较重的荷载,但却经不起重复施予其上的轻荷载。因为这种重复循环的应力和应变将导致其结构的破坏直至断裂。S—N疲劳图就是用来描述疲劳应力及其疲劳次数关系的图。实验表明,和蠕变损坏不同的是:由疲劳带来的断裂应力小于材料的实际屈服应力,疲劳循环次数越多,其失效的应力也就越小。

  4 失效性分析

  根据对损坏的9 个叶片的观察,我们注意到,所有叶片的主大梁及前缘表面均无断裂,从另一方面讲,这一事实证明了叶片的主大梁基本上承受住了由台风“杜鹃”带来的剧烈的动态冲击。具体来说,叶片的襟翼向和后缘向的弯曲振动是可以忽略的。因为此时这类中空叶片的较高的抗弯刚性使得叶片的弯谐振频率远高于由风湍流产生的激振频率。但是这9 个叶片的后表面蒙皮(即翼壳后沿)受到了损坏,为什么呢?我们知道,实际的风机叶片在此时另外会受到扭谐振,当风流变化所带来的激振荷载强劲而又与该叶片的固有频率相同时,再加上极为重要的一点,即当叶片的设计和制造存在缺陷时。注意,此时这类扭谐振就是施予叶片的极端疲劳荷载。

  关于疲劳损坏的原因是复杂的,但还是可以用最简单的想象把疲劳损坏看作为缘于极小裂纹的生长开始,这类失效的机制显然是因为叶片表面的极小的区域受到了局部集中应力的影响,这个局部集中应力又远大于粘接叶片翼后缘胶的粘合平均应力以及叶片蒙皮复合材料的平均应力。当这类较高的切应力反复作用时,就导致了极微裂痕的形成,这些极微裂痕又会进一步延伸至粘胶层内部和叶片蒙皮的相邻区域中去,最终导致粘胶和复合蒙皮强度的降低。宏观结果是上下蒙皮汇合处的后翼沿开裂以及叶片蒙皮断裂。叶片蒙皮的整体性刚度因此受到损坏(参见图1)。此外,这类复合材料较低的杨氏弹性模量和主梁、蒙皮间较差的胶粘接强度一同导致了蒙皮的鼓包断裂(见图2、3)。这类鼓包断裂在此次极端失效中起着相当的主导作用,同时应该指出的是本次破坏活动还有严重的二次破坏现象(见图4、5)。注意,扭谐振是关于叶片主梁对称的,这可以用来解释为什么大多数叶片的损坏发生在翼的上下两侧的原因。

  至于每台受损风机为什么只有一只叶片遭到破坏的原因是以下三个因素同时作用的结果:

  1、风机叶片的固有频率(叶片的谐振方向);

  2、风湍流的激振(风的变化方向);

  3、 叶片的位置使其自身的谐振方向与来风的谐振方向一致。

  对于最后一个条件一旦某叶片恰好占据了恰当的位置,那么另外两个叶片便没有可能在这360°范围拥有同一位置了。总的来讲,恰当的材料刚性、恰当的时间以及恰当的位置,决定了只能有一个叶片受损。

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