风电叶片断续磨削温度场及对流换热特性研究

作     者：周润天 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴士杰

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 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）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：风电叶片 断续磨削 磨削热源 磨削温度场 对流换热 

摘      要：近年来,为应对不断加剧的能源危机,我国大力提倡发展可再生资源,尤其重视风能这种清洁可再生资源,风力发电在我国逐渐普及。风电叶片作为风电机组的重要部件之一,其表面质量对风力发电的效率有着重要的影响。在风电叶片的生产、修复过程中,磨削是一道必要的工序,目前磨削过程大多为人工完成,存在着操作环境恶劣、工人劳动强度大、效率低等缺点,此外,由于风电叶片的材料为复合材料,在磨削加工的过程中极易产生磨削烧伤,进而会影响叶片的表面质量,因此降低叶片表面磨削温度、避免风电叶片的磨削烧伤等问题亟待研究。针对风电叶片的磨削烧伤问题,提出使用断续杯型砂轮进行风冷式主动磨削散热,考虑到断续杯型砂轮的结构,以及磨削过程中砂轮磨损和磨削力分布,使用近似解析法建立一种立轴平面磨削的热源模型,并推导出在该热源分布下的周期变化的移动温度场。使用有限元仿真软件ANSYS进行数值模拟,建立风电叶片等复合材料磨削的三维瞬态热传导模型,对磨削温度进行预测。为提高对流换热的强度进而加快风冷式磨削的散热,根据传热学基本理论,研究其散热特性,建立断续杯型砂轮对流换热系数的数学计算模型,并修正在断续杯型砂轮磨削热源下的温度场分布。从热传导和热对流两个方面入手,通过使用断续杯型砂轮进行磨削以减少热量的产生,通过优化强迫对流换热参数,提高对流换热强度以加快热量的排出,最终实现风电叶片磨削温度的降低。搭建磨削风电叶片实验平台,对理论分析进行验证:通过高清红外热成像仪拍摄测量和测温仪配合热电偶定点式测量的方法,获得断续温度场的实际分布以及特殊定点的温度变化曲线,验证断续磨削温度场的解析解和数值解的准确性。深入研究不同磨削参数对于风电叶片这类复合材料的磨削温度影响,对比断续杯型砂轮和普通杯型砂轮在某一特定磨削参数下的最高磨削温度,研究断续磨削对风电叶片磨削降温的实际效果,实验结果表明,断续磨削能有效降低30%左右的最高磨削温度。