100 kW風力機葉片的靜載荷測試試驗研究

徐立軍　徐　蕾

(新疆工程學院，新疆 烏魯木齊　830000)

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100 kW風力機葉片的靜載荷測試試驗研究

徐立軍徐蕾

(新疆工程學院，新疆 烏魯木齊830000)

摘要：風力機葉片的全尺寸檢測是對葉片質(zhì)量和安全性進行評估的重要手段，而葉片的靜載荷試驗是分析葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要基礎。對100 kW風力機葉片進行了靜載荷試驗，對試驗方法和試驗條件進行了詳細介紹。采用不測力法，分別從最大擺振、最小擺振、最大揮舞、最小揮舞4個方向施加載荷。基于測得的葉片靜載荷數(shù)據(jù)，分析了葉片在載荷作用下的剛度及應變等性能，并通過失效試驗對葉片的安全性能進行了評價。評價表明，葉片具有較大的安全裕量。

關鍵詞：風力機葉片靜載荷剛度應變風力發(fā)電可再生能源安全性

0引言

隨著傳統(tǒng)能源的逐漸耗盡，可再生能源相關技術(shù)已成為近年來世界范圍內(nèi)研究的熱點。風力發(fā)電技術(shù)因風能分布廣泛、技術(shù)成熟、成本較低以及商業(yè)化前景明朗，成為了世界上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)之一。葉片是風力發(fā)電機的核心部件之一，承受了風力機運行過程中絕大部分的載荷，其設計與檢測技術(shù)涉及流體力學、結(jié)構(gòu)動力學、材料科學、氣象學、環(huán)境科學、成型工藝等多種學科及專業(yè)。對葉片進行優(yōu)化設計制造，以保證其優(yōu)異的性能是決定風機正常運行的重要因素。風電機組葉片設計要滿足20年的工作壽命，該要求超出其他任何大型組合部件所能承受的壽命。鑒于風力機葉片的機構(gòu)及運行環(huán)境，必須進行全尺寸的檢測，以便對葉片的安全及工作性能進行評估，并為大型風力機葉片的設計提供依據(jù)。

我國的葉片檢測鑒定研究及相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較滯后，受長期使用小型風力發(fā)電機的影響，我國風電產(chǎn)業(yè)內(nèi)對葉片質(zhì)量控制和檢測的意識不足，風電葉片檢測平臺建設及檢測技術(shù)方面的研究明顯滯后。目前，國內(nèi)尚未建立完善的葉片及原材料的檢測認證體系，作為獲得設計優(yōu)化數(shù)據(jù)的主要手段和認證的有效組成部分，葉片的現(xiàn)場測試剛剛起步。

本文在保定華翼風電研發(fā)中心，對中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發(fā)(實驗)中心設計的100kW葉片進行了靜載荷檢測試驗，并根據(jù)測試結(jié)果對葉片性能進行了分析和評估。

1載荷設計

使用FOCUS5進行了葉片的極限載荷計算，載荷計算過程中的載荷工況基于IEC61400-1標準進行定義。結(jié)構(gòu)分析采用FOCUS5 軟件中的Farob模塊。外部條件使用IEC61400-1標準的 ⅡA等級，風場條件如表1所示。

表1　風場條件Tab.1　Wind field condition

除了極速風速模型的指數(shù)取0.11外，其他風模型垂直風廓線指數(shù)為0.2?？紤]到山地引起的入流風速變化，將風的入流傾角取為8°。塔體遇到的隨機風場根據(jù)風廓線指數(shù)為0.2的冪級數(shù)規(guī)律得到。

根據(jù)弦向坐標系計算，可得葉片各截面極限載荷分布；將各截面極限載荷提取出來，可得到葉片的載荷包絡線弦向坐標系下，x方向、y方向的力矩和z方向的拉力Mx_c、My_c和Fz_c分布，如圖1所示。

圖1　葉片載荷包絡曲線圖Fig.1　Envelope curve of blade load

2試驗條件

葉片靜載荷試驗就是在葉片靜止狀態(tài)下對葉片施加載荷，通過安裝在葉片上的測試設備采集葉片的應力應變數(shù)據(jù)[1-3]。其目的是測試葉片承受極限載荷的能力以及葉片在承受極限載荷情況下的變形特性，從而對風電機組設計的有效性進行驗證，并確定特殊狀況下整機承受的載荷大小。

2.1葉片條件

葉片采用3葉片結(jié)構(gòu)，翼型采用中國科學院工程熱物理研究所開發(fā)的大厚度鈍尾緣CAS-W2-450翼型，是國際上相對厚度(45%)最大的標準翼型，具有鈍尾緣的幾何特征。葉片長度為10.3 m，葉片從葉根起半徑5 m區(qū)域采用鈍尾緣設計，葉根彎矩設計最大值為125.3 kNm，設計變槳制動力矩為8.81 kNm，設計變槳力矩最大值為122 kNm，單片葉片質(zhì)量為243 kg，葉片質(zhì)心位置距葉根為2.63 m 。葉根法蘭螺栓分布圓直徑為350 mm，螺栓旋出長度為100 mm，螺栓等級為10.9。葉尖最大偏移量限制在1.7 m以內(nèi)。葉片材料使用玻璃纖維和真空灌注聚酯樹脂，制造價格比我國市場目前使用的環(huán)氧樹脂材料便宜一半。

2.2試驗設備

葉片試驗臺由中科院工程熱物理所和保定華翼風電研發(fā)中心共同建設，高度為6 m，極限檢測葉片長度為65 m。在進行靜載荷測試時，通過14個M20螺栓與轉(zhuǎn)接法蘭連接，再通過M36螺栓將葉片固定在試驗臺上。試驗臺后部留有一個開口，試驗人員可進入葉片內(nèi)部進行設備安裝操作。

3測試方法

為了便于試驗，使用兩臺5 t起重機，采用兩點法，在半徑為4 m和8 m的兩個位置，從最大擺振、最小擺振、最大揮舞、最小揮舞4個方向加載載荷，葉片安裝角如表2所示。

表2　葉片安裝角Tab.2　Blade mounting angles

參考位置是0°，吸力面朝上。最大揮舞和最大擺振方向的葉片安裝位置如圖2所示，視圖方向為從葉根到葉尖。

圖2　葉片安裝位置圖Fig.2　Blade installation position

試驗根據(jù)IEC 61400-23標準進行，在葉片合模前，在葉片的梁帽、大梁及前后緣面板各部位共計安裝了40個應變片，型號分別為BE120-10AA和BE120- 6CA，應變測量采用多點單臂半橋接線方式。

試驗過程中，對葉片施加的測試載荷設定為設計極限載荷的110%。在葉片測試方向施加具有一定安全裕量的最大載荷，以測試其屈曲穩(wěn)定性、剛度及葉尖最大位移。

測試載荷由如下公式確定:

Ftest=Fdesignγ1Tγ2T

(1)

式中：Fdesign為載荷設計值；γ1T=1.1(考慮系列化以后葉片特性的分散)。

根據(jù)試驗環(huán)境溫度，取γ2T=1.0，加載因子確定為1.1。

葉片揮舞方向加載位置為葉片吸力面，擺陣方向加載位置為葉片尾緣。試驗前須施加額外的載荷，以平衡夾具的質(zhì)量；然后預加40%測試載荷，以檢查葉片固定、試驗臺及測量系統(tǒng)。

各個方向的試驗施加載荷的步進值均為20%測試載荷，每個載荷等級保持10 s，將DH3815N載荷記錄儀安裝在吊車上記錄載荷，用安裝在兩個夾具間的BK-1拉繩傳感器測量葉片的扭轉(zhuǎn)，用應變片測量葉片應變。擺振方向測試到100%測試載荷為止，揮舞方向則持續(xù)到葉片失效(斷裂)為止，以測試葉片的失效載荷。

以上測試步驟在測量的4個方向上分別重復進行，當前一個方向測試完畢后，將葉片旋轉(zhuǎn)到正確角度測量另一個方向。

4試驗結(jié)果與分析

4.1加載載荷結(jié)果

圖3所示為最大擺振方向和最大揮舞方向的設計載荷、靜載荷和測試載荷數(shù)據(jù)曲線。

圖3　加載載荷曲線Fig.3　Loaded curves

從圖3可以看出，加載在葉片上的載荷沿展向逐漸減小，至葉尖初基本為0。揮舞方向所施加的載荷遠大于擺振方向，擺振方向?qū)嶋H施加的靜載荷比測試載荷略大，而揮舞方向則略小。該誤差是由于兩臺起重機在各加載面的協(xié)調(diào)性誤差引起的，但整體曲線變化趨勢相同，誤差在允許范圍之內(nèi)。

4.2剛度試驗結(jié)果與分析

葉片沿展向的剛度如圖4所示。

圖4　葉片撓度示意圖Fig.4　Deflections of the blade

從圖4可以看出，在100%測試載荷范圍之內(nèi)，擺振和揮舞方向的最大屈曲變形分別約為0.1 m和1.4 m，葉片的剛度和所受載荷近似為線性關系。該結(jié)果與簡支梁理論中的剛度和載荷關系相吻合。在揮舞方向試驗中，當載荷從100%載荷繼續(xù)增加，沿展向的剛度曲線呈現(xiàn)出非線性特性，實測最大屈曲為2.56 m，而計算最大允許值為3 m，滿足條件。

在整個試驗過程中，葉片的尾緣夾芯基本沒有發(fā)生局部屈曲，該結(jié)果證明了該翼型的尾緣結(jié)構(gòu)具有較強的剛度。揮舞方向載荷測試在未失效加載范圍內(nèi)，葉片的抗剪切腹板有明顯應變，說明抗剪切腹板已經(jīng)開始受力彎曲。當施加到220%測試載荷時，葉片發(fā)生了斷裂性失效。

5結(jié)束語

本文分別從最大擺振、最小擺陣、最大揮舞、最小揮舞4個方向?qū)︹g尾緣葉片施加載荷進行了靜載荷試驗。在整個測試過程中，葉片[4-7]具有較好的結(jié)構(gòu)性能。在100%測試載荷內(nèi)，葉片剛度和所受載荷基本

呈線性關系，而在大載荷、大撓度情況下，則呈明顯的非線性特性。該結(jié)果為大型葉片的幾何大變形設計提供了有益的參考。該葉片能夠承受220%測試載荷，說明葉片具有較大的安全裕量。

本文所用測試方法較為成熟，沒有單獨依靠應變片進行應力應變測試，而是綜合使用了多種測試設備，保證了試驗數(shù)據(jù)的準確性，也為相關行業(yè)的檢測方法提供了一定參考依據(jù)。

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中圖分類號：TH7;TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607009

ResearchontheStaticLoadExperimentsforBladesof100kWWindTurbine

Abstract：The full-size inspection of the wind turbine blades is an important means for evaluating the quality and safety of the blades,while the static load experiment of the blade is the significant basis for analyzing the structural stability of blades.The static experiments for blades of 100 kW wind turbine are conducted; the methods and conditions of the experiment are introduced in detail.By using unexpected force method,the load is exerted respectively from four directions: maximum swing vibration; minimum swing vibration; maximum brandish and minimum brandish.Based on the data measured,the performance of stiffness and strain,etc.,of the blade under load applied is analyzed; and the safety performance of the blade is evaluated through the failure test.Evaluation shows that blades has large safety margin.

Keywords:Blade of wind turbineStatic loadStiffnessStrainWind powerRenewable energySecurity

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金資助項目(編號：2014211A021)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者徐立軍(1978—)，男，2014年畢業(yè)于新疆大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，獲博士學位， 副教授；主要從事風力機載荷檢測及分析方向的研究。