某大型風(fēng)機葉片靜力加載失效破壞原因分析

羊森林，黃永東，鐘賢和，戚中浩，王鋒

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽，618000）

某大型風(fēng)機葉片靜力加載失效破壞原因分析

羊森林，黃永東，鐘賢和，戚中浩，王鋒

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽，618000）

靜力加載試驗是驗證風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)靜強度以及穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計要求的重要方法。文章結(jié)合試驗測試數(shù)據(jù)以及采用FOCUS軟件和有限元方法，對某大型風(fēng)機葉片的靜力加載失效破壞進行了分析。分析結(jié)果表明，PVC芯材過熱引起剪切模量下降，是導(dǎo)致葉片殼體失效破壞的主要原因。模擬分析結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)以及失效破壞狀況較好吻合。通過改進和完善生產(chǎn)工藝，解決了殼體芯材過熱問題，最終葉片順利地通過了靜力加載試驗。

風(fēng)機葉片，靜力加載，失效破壞，模擬分析

0　引言

隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的不斷增大，風(fēng)機葉片的長度快速增加，目前，國內(nèi)海上風(fēng)機葉片已長達75 m；國外SSP公司83.5 m長的風(fēng)電葉片已經(jīng)投入實際運行，另外，已有公司開始了100 m長的風(fēng)電葉片研發(fā)。風(fēng)電葉片長度增加，雖提升了風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力，提高了風(fēng)機的發(fā)電量，但同時也使風(fēng)機葉片自身承受的載荷急劇增加，因而對大葉片的結(jié)構(gòu)安全性要求更高，制造工藝難度也更大。尤其是對于大型海上風(fēng)機葉片，由于機組投資成本以及維護成本都非常高，葉片的安全性直接關(guān)系到整個機組的安全性，因而對葉片的結(jié)構(gòu)安全性更要高度重視。

鑒于風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相關(guān)國際和國內(nèi)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，新型號葉片在投入生產(chǎn)前必須經(jīng)過靜力試驗驗證。靜力試驗是驗證風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)靜強度以及穩(wěn)定性是否滿足安全運行的重要方法之一，如果葉片在試驗過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)失效破壞，就表明葉片的設(shè)計或生產(chǎn)制造還存在一定問題，需詳細(xì)分析和查找原因，以便進一步改進結(jié)構(gòu)設(shè)計和完善生產(chǎn)制造工藝。以下是結(jié)合試驗測試數(shù)據(jù)以及通過有限元方法、FOCUS軟件，對某大型風(fēng)機葉片靜力加載失效破壞原因進行了分析。

1　葉片靜力加載試驗

圖1　靜力試驗加載圖

圖2　試驗葉片24.2 m截面失效破壞

1.2葉片測試數(shù)據(jù)分析

在試驗葉片失效前，對葉片的質(zhì)量屬性和頻率分別進行了測試，同時在加載過程中對葉片各個加載截面的變形和特定位置的應(yīng)變值進行了監(jiān)測。測試數(shù)據(jù)與設(shè)計值相比，試驗葉片質(zhì)量偏差2.59%，重心位置偏差1.33%，符合設(shè)計要求。

表1　試驗葉片固有頻率測試值與設(shè)計值的對比

由表1可知，試驗葉片的固有頻率測試值與設(shè)計值偏差均小于5%，符合設(shè)計要求，表明了試驗葉片的剛度和質(zhì)量分布與設(shè)計值吻合較好。

表2為100%額定載荷下，試驗葉片相應(yīng)截面的位移測試值與設(shè)計值的對比。由表2可知，5個加載點的載荷均到了100%試驗額定載荷，而且位移測試值與計算值的偏差均滿足設(shè)計要求允許的±7%偏差范圍。

1.1葉片失效破壞現(xiàn)象描述

試驗葉片在進行揮舞正方向的靜力加載試驗時，壓力側(cè) （PS）殼體受拉伸，吸力側(cè) （SS）殼體受壓縮 （見圖1），當(dāng)加載載荷達到100%試驗額定載荷并保持約8 s后，葉片在SS側(cè)后緣殼體約24.2 m截面發(fā)生失效破壞 （見圖2），而PS側(cè)殼體24.2 m截面區(qū)域，主梁帽以及殼體基本未見嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷破壞。

表2　100%額定試驗載荷下各加載點載荷以及位移測試值與設(shè)計值的對比

表3為100%額定試驗載荷時，葉片PS和SS側(cè)主梁帽中心區(qū)域的應(yīng)變測試值與設(shè)計值的對比。表中的數(shù)據(jù)表明，除SS側(cè)7 m主梁帽中心應(yīng)變值偏差達到17.8%外，其它主梁帽區(qū)域的應(yīng)變測試值與設(shè)計值都能較好吻合，偏差均在±10%范圍內(nèi)。

表3 100%額定試驗載荷下主梁帽區(qū)域應(yīng)變測試值與設(shè)計值的對比

由以上試驗測試數(shù)據(jù)可知，該試驗葉片的頻率以及位移變形的測試值與設(shè)計值偏差都符合設(shè)計要求，由此表明該試驗葉片的實際剛度與設(shè)計剛度較好符合。直至葉片失效破壞前，所有應(yīng)變監(jiān)測點的應(yīng)變值都呈很好的線性變化，并未明顯的突變，而且葉片主梁帽以及殼體監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)變測試值與計算值都較好吻合。由此可知，試驗葉片的結(jié)構(gòu)靜強度沒有問題，葉片的失效破壞應(yīng)屬于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

2　葉片失效原因分析

為了分析試驗葉片發(fā)生失穩(wěn)破壞的原因，分別從原材料、設(shè)計、制造、試驗、結(jié)構(gòu)失效影響等方面進行了研究分析。通過檢查，并未發(fā)現(xiàn)葉片原材料、葉片設(shè)計以及試驗的實施過程存在導(dǎo)致葉片發(fā)生失穩(wěn)破壞的原因。但破壞現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，試驗葉片SS側(cè)殼體破壞區(qū)域存在明顯的PVC芯材過熱變色現(xiàn)象 （葉片SS側(cè)23～26 m后緣殼體存在PVC芯材過熱變色），詳見圖3。

該試驗葉片PS側(cè)殼體和SS側(cè)殼體所有PVC芯材過熱變色區(qū)域以及過熱程度的統(tǒng)計分別見圖4和圖5。由圖5可以看出，葉片SS側(cè)殼體存在較多的PVC芯材過熱區(qū)域。通常PVC芯材過熱后，將在一定程度上影響其剪切性能，芯材的剪切性能又將直接影響玻璃鋼夾芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因而以下著重分析研究了PVC芯材過熱對試驗葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

圖3　殼體PVC芯材過熱變色后與正常狀態(tài)的對比

圖4 PS 側(cè)殼體PVC 芯材過熱變色區(qū)域統(tǒng)計

圖5　SS側(cè)殼體PVC芯材過熱區(qū)域統(tǒng)計

2.1過熱對PVC芯材力學(xué)性能的影響

由于從試驗葉片上取下的過熱夾芯結(jié)構(gòu)樣本尺寸不規(guī)則，無法制成較為標(biāo)準(zhǔn)的試驗件對PVC芯材的剪切強度進行有效測試。通過在試驗室模擬PVC夾芯結(jié)構(gòu)過熱并進行了力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)過熱后PVC芯材的剪切模量下降了11.29%，玻璃鋼夾芯結(jié)構(gòu)的剝離強度下降了26.9%。由于試驗室難于準(zhǔn)確模擬葉片成型過程中的實際過熱現(xiàn)象，因而測試數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映真實情況，但過熱導(dǎo)致PVC芯材力學(xué)性能的變化趨勢可以被參考。

根據(jù)試驗?zāi)M測試結(jié)果，PVC芯材過熱后，將會導(dǎo)致其剪切性能下降，芯材剪切性能又直接影響葉片殼體的穩(wěn)定性能。為了進一步分析芯材過熱對葉片殼體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響，假定了不同過熱程度PVC芯材的剪切模量 （見表4），并參考圖4和圖5，在FOCUS和有限元模型里調(diào)整了葉片殼體相應(yīng)區(qū)域PVC夾芯材料的剪切模量。

表4　PVC芯材過熱后剪切模量的分析參考值

2.2殼體PVC芯材過熱對葉片結(jié)構(gòu)靜強度的影響

通過有限元方法分別計算分析了殼體PVC芯材過熱前后對葉片結(jié)構(gòu)靜強度的影響，表5為PVC過熱前后葉片SS側(cè)主梁帽中心區(qū)域沿葉片軸向的應(yīng)變比值。由表5可知，殼體PVC芯材過熱，剪切模量下降后，并不會對葉片的結(jié)構(gòu)靜強度造成明顯影響。因此，該試驗葉片PVC芯材過熱后，不會引起結(jié)構(gòu)靜強度的破壞，試驗葉片應(yīng)該屬于失穩(wěn)破壞。

表5　葉片PVC芯材過熱前后SS側(cè)主梁帽中心區(qū)域應(yīng)變比值表

2.3殼體PVC芯材過熱對葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

采用FOCUS和有限元方法，分別對試驗葉片殼體PVC芯材正常以及過熱后的穩(wěn)定性進行了分析。FOCUS模型可以對葉片單個截面的穩(wěn)定性進行分析，有限元模型可對葉片的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行分析。

2.3.1葉片截面穩(wěn)定性分析

基于葉片F(xiàn)OCUS模型，對葉片每個截面在試驗工況下的穩(wěn)定性進行了計算，發(fā)現(xiàn)PVC正常時，葉片的失穩(wěn)危險截面在21.6～22 m，失穩(wěn)載荷系數(shù)為1.79，截面失穩(wěn)模態(tài)見圖6。

參照表4調(diào)整了FOCUS模型中葉片殼體芯材過熱區(qū)域的PVC剪切模量，并對21～26 m截面在揮舞正方向試驗載荷下的穩(wěn)定性進行了分析，見表6。

FOCUS分析結(jié)果表明，當(dāng)PVC芯材正常時21.6～22 m為安全系數(shù)最小截面，當(dāng)芯材過熱剪切性能下降后，24 m附近截面為安全系數(shù)最小截面，即使23～26 m區(qū)域PVC為中度過熱 （PVC剪切模量為16 MPa），24 m附近截面仍為安全系數(shù)最小截面，該結(jié)果與試驗葉片失效位置吻合。

圖6　揮舞正試驗載荷下葉片21.6 m截面SS側(cè)殼體失穩(wěn)模態(tài)

表6　殼體PVC芯材過熱對葉片穩(wěn)定性的影響

當(dāng)PVC芯材過熱剪切性能下降后，24 m附近截面SS側(cè)殼體的失穩(wěn)模態(tài)也由中部失穩(wěn)變?yōu)榱丝拷髁好边吘壥Х€(wěn) （見圖7），該現(xiàn)象與試驗葉片失效狀態(tài)非常吻合。

圖7　SS側(cè)24.1 m后緣殼體失穩(wěn)模態(tài)

2.3.2葉片整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

表7為葉片殼體PVC芯材過熱對葉片整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的有限元分析結(jié)果。由表7可知，當(dāng)PVC芯材正常時，需達到1.900 1倍試驗額定載荷，試驗葉片才會發(fā)生殼體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失穩(wěn)位置在SS側(cè)后緣殼體21.65 m處，見圖8。根據(jù)葉片殼體芯材實際過熱情況，參照表4調(diào)整殼體PVC芯材剪切性能后，當(dāng)達到1.664 3倍額定試驗載荷時，試驗葉片在SS后緣殼體24 m處 （距主梁帽邊緣0.1 m）發(fā)生失穩(wěn)，見圖9。

表7　殼體PVC芯材過熱對葉片穩(wěn)定性的影響

圖8　荷載因子為1.900 1時SS后緣殼體21.65 m失穩(wěn)

圖9　荷載因子為1.664 3時SS后緣殼體24 m失穩(wěn)

有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)PVC芯材未過熱時，試驗葉片在小于1.900 1倍試驗載荷下都不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，21.65 m截面是安全系數(shù)最小的截面；當(dāng)PVC芯材過熱后，葉片的穩(wěn)定性顯著下降，24 m截面成為了安全系數(shù)最小的截面，當(dāng)達到1.664 3倍試驗載荷時，SS側(cè)后緣24 m附近殼體將發(fā)生失穩(wěn)。

由上述模擬分析可知，試驗葉片芯材過熱后，葉片殼體的穩(wěn)定性顯著下降，并且危險截面位置也會發(fā)生變化。FOCUS和有限元兩者的分析結(jié)果是一致的：PVC芯材正常時，揮舞正方向試驗葉片的最小安全裕度截面為21.65 m附近截面；當(dāng)考慮芯材過熱、剪切模量下降后，24 m附近截面成為了最小安全裕度截面，與試驗葉片失效破壞位置很好吻合。

3　結(jié)論

試驗測試結(jié)果表明，試驗葉片的頻率、位移以及應(yīng)變測試值與理論計算值很好吻合，試驗葉片的靜強度滿足設(shè)計要求；FOCUS軟件以及有限元模擬分析結(jié)果表明，PVC芯材過熱，葉片SS側(cè)24.2 m截面后緣殼體首先發(fā)生失穩(wěn)是導(dǎo)致試驗葉片發(fā)生失效破壞的根本原因，模擬分析與試驗測試結(jié)果很好吻合。參考模擬分析結(jié)果，進一步改進和完善生產(chǎn)制造工藝，消除了殼體PVC芯材過熱問題，再次試制并成功通過了靜力加載試驗。由此，也驗證了葉片失效破壞原因模擬分析的準(zhǔn)確性。同時試驗也表明，在生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制操作工藝，避免芯材過熱，造成葉片穩(wěn)定性下降。

Analysis of Static Loading Test Failure for a Large Wind Turbine Blade

Yang Senlin，Huang Yongdong，Zhong Xianhe，Qi Zhonghao，Wang Feng

（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Static loading test is one significant method to verify whether the static strength and stability of wind turbine blade structure are satisfied with the design requirement.This paper focuses on the analysis of static loading test failure for a large wind turbine blade by test data analysis and the method of FOCUS and FEA.The analysis result shows that the root reason of blade shell failure is the decrease of PVC core material's shear modulus due to overheating.The result of simulation analysis coincide well with the test data and the status of blade failure during the static test.The problem of core-overheating is solved for the second test blade by improving manufacturing methods.Meanwhile the second test blade passes the static loading test successfully.

wind turbine blade，static loading，failure，simulation analysis

TK83

A

1674-9987（2015）02-0025-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.005

羊森林 （1985－），男，工學(xué)碩士，2009年畢業(yè)于四川大學(xué)材料加工工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)電葉片設(shè)計工作。