風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片失效斷裂分析

惠鵬++郭永剛++鞠偉

摘 要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多都布置在環(huán)境惡劣的條件下，通過將自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行工作。由于自然風(fēng)具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，常常發(fā)生風(fēng)速、風(fēng)向劇變的情況，因此要求風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須能夠承受較大的載荷。而隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片變得越來越大，這無形中增加了葉片損壞的概率。本文通過對(duì)機(jī)組葉片的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行介紹，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的斷裂監(jiān)測(cè)和預(yù)防進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組 葉片斷裂 結(jié)構(gòu) 受力 監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0080-02

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，能源問題成為制約人類發(fā)展的關(guān)鍵問題。石化資源由于其污染性、不可再生性等特點(diǎn)已經(jīng)無法滿足社會(huì)發(fā)展的需求。這種情況下，風(fēng)能成為一種重要的綠色替代能源，并因此受到了更多的研究和關(guān)注。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，不僅有效降低了污染廢料的排放，還改善了電力結(jié)構(gòu)。隨著裝機(jī)容量的快速增加，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展非常迅速。其中，葉片是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部件，直接影響到發(fā)電機(jī)的性能、效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。葉片會(huì)隨著機(jī)組容量的增大而快速增加，越大的風(fēng)機(jī)葉片會(huì)無形中增加葉片損壞的概率。而且在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中會(huì)使葉片受到惡劣自然環(huán)境的影響，使葉片出現(xiàn)共振現(xiàn)象。葉片共振是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片失效斷裂的重要原因之一。本文通過對(duì)機(jī)組葉片的結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行介紹，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的斷裂監(jiān)測(cè)和預(yù)防進(jìn)行了分析。

1 機(jī)組葉片的基本結(jié)構(gòu)和特性

1.1 材料

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是布置在環(huán)境惡劣的條件下，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片材料選擇要十分慎重，要綜合考慮葉片的重量、強(qiáng)度和化學(xué)性能，這樣才能有效降低葉片的斷裂概率。選擇的材料應(yīng)具有較大的強(qiáng)度和比模量、良好的減震性和破損安全性，以及耐疲勞性。

1.2 結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過程中，常見的葉片材料結(jié)構(gòu)主要包括層壓板、夾層和編織三種結(jié)構(gòu)。其中，層壓板結(jié)構(gòu)是指將纖維增強(qiáng)材料按順序鋪設(shè)到基體中，是當(dāng)前應(yīng)用最多的一種葉片材料結(jié)構(gòu)，其主要材料性能由纖維和基體的性質(zhì)決定；夾層結(jié)構(gòu)是指兩層層壓板薄蒙皮與其間的夾芯構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的比剛度良好，隔音、隔熱、減震、抗疲勞，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；編織結(jié)構(gòu)指將增強(qiáng)材料編織在面內(nèi)和厚度方向上的結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、重量輕和較高的抗沖擊能力。每種材料結(jié)構(gòu)都有其側(cè)重的特點(diǎn)，在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行選擇。

1.3 力學(xué)特性

葉片材料的力學(xué)特性通常從宏觀和微觀兩個(gè)方面進(jìn)行分析。宏觀方面，只對(duì)材料的各項(xiàng)平均性能進(jìn)行考慮，而不討論各個(gè)成分間的作用；微觀方面則從微觀的角度對(duì)材料各個(gè)成分間的影響進(jìn)行分析。微觀分析應(yīng)該從材料整體構(gòu)成中提取能夠代表材料性能的基本單元，進(jìn)而對(duì)各個(gè)組分的力學(xué)性質(zhì)、成分含量和形態(tài)進(jìn)行考慮，以期獲取更有價(jià)值的分析結(jié)果。

2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片失效斷裂分析

2.1 葉片斷裂種類

風(fēng)力發(fā)電通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，其原理是讓風(fēng)吹動(dòng)發(fā)電機(jī)組葉片的旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過增速機(jī)提升葉片的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電力。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多都布置在環(huán)境惡劣的條件下，通過將自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行工作。由于自然風(fēng)具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，常常發(fā)生風(fēng)速、風(fēng)向劇變的情況，因此要求風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須能夠承受較大的載荷。而隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片變得越來越大，這無形中增加了葉片損壞的概率。常見的葉片失效斷裂故障包括：

（1）梁帽強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)造成的葉片斷裂。

（2）因前、后緣粘接強(qiáng)度較弱造成的葉片開裂情況。

（3）葉片尖部強(qiáng)度較弱造成的接閃器和尖部的脫落。

（4）對(duì)剪腹板產(chǎn)生壓力后出現(xiàn)的斷裂情況。

（5）部件連接不合理造成的螺栓磨損或扭斷等情況。

上述問題都是葉片運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的故障，隨著故障的積累，很容易出現(xiàn)葉片失效斷裂的情況，因此需要對(duì)葉片的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，通過發(fā)電機(jī)組的葉片受損程度來監(jiān)控葉片的運(yùn)行情況。

2.2 葉片斷裂監(jiān)測(cè)

因?yàn)槌Ｒ姷娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組都比較龐大，而且還處于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，使得對(duì)機(jī)組設(shè)備的維護(hù)非常困難。所以，應(yīng)該采用合適的方式對(duì)葉片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)葉片的失效和斷裂情況進(jìn)行防范。其中，遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)是目前最常用的技術(shù)，它不僅提高了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，還有效降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，葉片材料在出現(xiàn)整體失效前都會(huì)出現(xiàn)一定的斷裂、結(jié)構(gòu)脫膠和分層破壞等情況，這些情況通常不會(huì)影響葉片的正常使用，但是隨著損傷的積累，就會(huì)對(duì)葉片造成嚴(yán)重的損壞，最終導(dǎo)致整個(gè)葉片的失效。因此，在葉片失效前及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)和安全運(yùn)行具有重要的意義。

遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)是通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)部位安裝傳感器，采集設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析并對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，有效保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器在進(jìn)行調(diào)試的過程中，要選擇合適的位置，使其能夠采集到有效的、具有代表性的信號(hào)，從而更好地反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)。信號(hào)采集到以后，要通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并建立有效的模式識(shí)別數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)的對(duì)比分析來判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片信息的監(jiān)測(cè)流程如圖1所示。

最近幾年來，國(guó)內(nèi)外在聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)上進(jìn)行了大量的研究，這是一種無損的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠根據(jù)材料受到負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力反射來對(duì)材料的實(shí)際損傷情況進(jìn)行判斷。隨著葉片材料的不斷損壞，葉片結(jié)構(gòu)受力會(huì)出現(xiàn)很多聲發(fā)射信號(hào)，這使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠接收到信號(hào)并對(duì)信號(hào)的類型進(jìn)行分析。在這些信號(hào)波形中會(huì)隱含大量的和發(fā)射源的基本特性相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和分析，從而對(duì)葉片材料的損壞位置、持續(xù)時(shí)間、破壞程度和趨勢(shì)進(jìn)行判斷，并進(jìn)一步得到葉片損傷位置的受力情況，為后期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的分析依據(jù)。

3 結(jié)語

葉片是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部件，直接影響到發(fā)電機(jī)的性能、效率、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中會(huì)使葉片受到惡劣自然環(huán)境的影響，而且葉片會(huì)隨著機(jī)組容量的增大而快速增加，越大的風(fēng)機(jī)葉片會(huì)無形中增加葉片損壞的概率。因此，在葉片設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)實(shí)際的情況和葉片的受力條件選擇合適的材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并通過斷裂監(jiān)測(cè)等手段對(duì)葉片的失效斷裂行為進(jìn)行防范。

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