气固两相流下风力发电机叶片材料冲刷磨损行为研究

作     者：董晓锋 

作者单位：新疆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李新梅

授予年度：2013年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：风力机叶片 气固两相流 冲刷磨损 

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500MPa和580MPa，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0.109～0.212mm的粒径范围内，冲蚀率为0.98g/kg;之后出现了转折，磨损率不再随着粒径的减小而增大;0.380～0.830mm粒径范围内的冲蚀率最小为0.68g/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17.4m/s时的冲蚀率为2.8g/kg，约为7.9m/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1.3g/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0.109～0.212mm，射流出口速度为109m/s为条件，进行数值模拟设置，粒子在100mm处的速度约为55m/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。