風(fēng)機(jī)葉片缺陷的紅外檢測數(shù)值模擬

張 爽，王湘明，鄭 浩，仲奇奇

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110000）

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，在風(fēng)場的實際運(yùn)行中承載著不斷變化的風(fēng)載荷[1]。風(fēng)機(jī)葉片長期服役在這種情況下，會使葉片疲勞載荷運(yùn)行，葉片容易出現(xiàn)分層、脫粘、夾雜、缺膠、氣泡、褶皺、裂紋、干紗等缺陷。因此，風(fēng)機(jī)葉片要定期進(jìn)行檢測，以免風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅。由于極小的葉片缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，這就對后期的維修造成極大困難，因此采用無損檢測技術(shù)對風(fēng)機(jī)葉片缺陷進(jìn)行檢測。當(dāng)前，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37431—2019《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片紅外熱像檢測指南》中介紹了葉片常見的缺陷類型和位置等信息，以及缺陷的模擬和對比的要求。紅外無損檢測技術(shù)具有檢測成本低、適用范圍廣、檢測結(jié)果可信度高、操作簡單安全、檢測結(jié)果直觀可見等優(yōu)勢，非常適合用于對風(fēng)機(jī)葉片缺陷檢測，成為繼五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之后發(fā)展最快、潛能最大的無損檢測新方法[2-3]。故采用紅外無損檢測技術(shù)對風(fēng)機(jī)葉片缺陷進(jìn)行模擬分析，為葉片結(jié)構(gòu)檢測提供可靠依據(jù)。

1.模型建立與模擬過程

1.1 模型建立

以玻璃纖維復(fù)合材料[4-6]的風(fēng)機(jī)葉片作為研究對象，其葉片缺陷設(shè)置為嵌入缺陷形式，膠衣、黏膠、玻璃纖維增強(qiáng)材料和玻璃纖維強(qiáng)度材料為缺陷材料[7-9]，模型缺陷是人為制造缺陷，缺陷形狀為長方形。由于風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用葉片微元模型進(jìn)行建模，有利于對風(fēng)機(jī)葉片細(xì)微缺陷檢測問題的研究。該風(fēng)機(jī)葉片微元模型的幾何尺寸為13mm×13mm×13mm，模型如圖1 所示，風(fēng)機(jī)葉片的鋪層順序如圖2 所示[10-11]，各鋪層順序材料熱物性參數(shù)如表1 所示[12]。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片微元模型

表1 鋪層材料熱物理性質(zhì)

1.2 模擬過程

采用熱通量為熱載荷，將恒定的熱通量加載到檢測面。加熱方式為脈沖加熱，持續(xù)加熱時間為20s。由于風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故將模型的最外層表面設(shè)置為與空氣接觸[13]。模擬工況是在理想環(huán)境下進(jìn)行，物體的初始溫度為20℃[14]，外界空氣環(huán)境對流換熱系數(shù)為15W/mm2·℃。

圖2 葉片鋪層順序材料

設(shè)置完畢后，分別取：當(dāng)熱通量、單層缺陷寬度不變時，環(huán)境溫度變化；當(dāng)環(huán)境溫度、單層缺陷寬度不變時，熱通量變化；當(dāng)環(huán)境溫度、熱通量、單層缺陷寬度不變時，單層缺陷變化3 種情況進(jìn)行模擬。提取分析結(jié)果中缺陷處與非缺陷處對應(yīng)表面溫度進(jìn)行分析，對比不同情況下熱像溫度差影響。

2.模擬結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對熱像溫度差的影響

設(shè)定單層缺陷是膠衣層缺陷，缺陷寬度為L = 5 mm，熱通量為5.0×105W/m2，環(huán)境溫度分別為-40℃、-10℃、0℃、20℃、50℃進(jìn)行模擬。模擬分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 環(huán)境溫度對熱像溫度差的影響

圖4 環(huán)境溫度不同時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖3、圖4 可知，隨著環(huán)境溫度的升高，熱像溫度差峰值也隨之減小。熱像溫度差峰值出現(xiàn)的時間也稍有延遲。環(huán)境溫度不同時，熱像溫度差曲線逐漸都會趨于平緩。

2.2 熱通量對熱像溫度差的影響

設(shè)定單層缺陷是膠衣層缺陷，缺陷寬度為L = 5 mm，環(huán)境溫度為20℃，熱通量分別為1.0×105W/m2、2.0×105W/m2、3.0×105W/m2、4.0×105W/m2、5.0×105W/m2進(jìn)行模擬。模擬分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 熱通量對熱像溫度差的影響

圖6 熱通量不同時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖5、圖6 可知，隨著熱通量的增大，熱像溫度差峰值也隨之增大。熱像溫度差峰值出現(xiàn)的時間相同。在較短的時間內(nèi)，不同熱通量的熱像溫度差值沒有明顯變化、熱像溫度差曲線沒有區(qū)別。

2.3 單層缺陷對熱像溫度差的影響

設(shè)定單層缺陷寬度都為L = 5 mm，環(huán)境溫度為20℃，熱通量為5.0×105W/m2，單層缺陷分別是膠衣層缺陷、玻璃纖維增強(qiáng)層缺陷、黏膠層缺陷進(jìn)行模擬。模擬分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 單層缺陷對熱像溫度差的影響

圖8 不同單層缺陷時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖7、圖8 可知，膠衣層缺陷、玻璃纖維增強(qiáng)層缺陷和黏膠層缺陷的熱像溫度差峰值是依次減小，膠衣層缺陷的熱像溫度差峰值最大，這說明相較于玻璃纖維增強(qiáng)層缺陷和黏膠層缺陷，膠衣層缺陷容易檢測出來。熱像溫度差峰值逐漸趨于恒定值。

3.結(jié)語

根據(jù)有限元的方法對含有缺陷的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行紅外模擬分析。通過對不同環(huán)境溫度、熱通量、單層缺陷的風(fēng)機(jī)葉片缺陷紅外模擬分析，得出以下結(jié)論：隨著環(huán)境溫度的升高，熱像溫度差峰值與環(huán)境溫度呈反比關(guān)系，這說明溫度越低葉片缺陷越容易檢測出來。并且熱像溫度差峰值出現(xiàn)的時間稍有延遲，說明環(huán)境溫度越高，最適合的檢測時間越長，理論上檢測的反應(yīng)速度越慢。隨著熱通量的增大，熱像溫度差峰值也隨之增大，這說明葉片缺陷是容易被檢測出來的。在較短的時間內(nèi)，熱像溫度差值基本沒有變化，說明加熱時間越長，熱通量對熱像溫度差值越大，葉片缺陷就越容易被檢測出來。在缺陷寬度相同時，膠衣層缺陷的熱像溫度差峰值最大，玻璃纖維增強(qiáng)層和黏膠層缺陷依次減小，這說明膠衣層缺陷是容易被檢測出來的。并且同時也說明風(fēng)機(jī)葉片最外層與空氣接觸，缺陷容易被檢測出來。不同單層缺陷熱像溫度差峰值曲線逐漸趨于平緩。