針對大型風電葉片安全性的研究

王秋波

摘要：風力發(fā)電技術對于能源發(fā)展非常重要，但現在其安全性還有待提高，存在許多安全隱患，這就使得設備的疲勞實驗驗證成為保證新型葉片研發(fā)的重要一環(huán)。而傳統(tǒng)的疲勞試驗由于在非規(guī)定方向存在載荷，造成誤差較大，需要通過更加精確的實驗測試其疲勞強度。

關鍵詞：葉片；疲勞；風電

能源資源是能源發(fā)展的基石。自改革開放開始以來，，國民經濟持續(xù)快速發(fā)展離不開中國能源工業(yè)的迅速發(fā)展。但是由于傳統(tǒng)的能源利用還存在許多問題，環(huán)境壓力較大，現在不光我們國家，世界各國都在大力發(fā)展新能源產業(yè)，各國一致同意“金山銀山不如綠水青山”。傳統(tǒng)的發(fā)電方式一般是通過煤炭，煤炭對于環(huán)境的危害是眾所周知的，因此現在人們已經采用更加環(huán)保的方式來進行發(fā)電。風力發(fā)電就是非常環(huán)保的一種發(fā)電方式，而且風能應該也是取之不盡，用之不竭的，越來越受人們的青睞。

世界各國已經日益重視能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題，因此世界各國正在加快發(fā)展風電技術，并且這已成為國際社會的共同目標，致力于能源轉型發(fā)展的推動和改善全球氣候變暖。在新能源技術中，風電已經作為發(fā)展最快和應用最廣泛的技術為人們所熟知，已在全球范圍內大規(guī)模應用開發(fā)。我國繼煤電、水電之后的第三大電源就是風電。但隨著不斷擴大應用規(guī)模，風電發(fā)展也面臨不少新的問題。由于葉片發(fā)展更偏向于增大其體積和長度，并且考慮到過長的制作周期，因此不可避免地出現一些缺陷?？赡艹霈F內含雜質、氣孔以及由于粘結劑問題使得外殼的前緣與后緣之間出現黏結不牢。這就使得對于葉片的質量控制非常關鍵。因此需要進行疲勞試驗改進以提高葉片出廠時的產品質量。

風力發(fā)電就是將風動能轉變成機械運動動能，再由機械能實現發(fā)電。風力發(fā)電在風的作用下使得葉片旋轉，再用過機械提高旋轉的速度，使得發(fā)電機發(fā)電。全國風力發(fā)電機使用量將達到2到3千萬千瓦已經成為未來15年國家重點規(guī)劃目標。

風電機組的單機容量已經從最初很少容量發(fā)展到現在的兆瓦級，甚至在向十兆瓦級、幾十兆瓦級努力，這促進了提高風能捕獲，降低了度電成本。葉片是風電發(fā)電機實現風能和機械能轉化的重要部件，整機的性能和發(fā)電效率在很大程度上受葉片狀態(tài)的好壞的影響，而葉片承受較大的載荷，在惡劣的環(huán)境中運行，風雨的腐蝕等等都會影響葉片的壽命，因此隨著風電葉片常年的運轉，不知道什么時候就會發(fā)生意外事故，對風電場的經濟效益造成危害。

風電葉片在設計時一般能使用20年，但是風電機組由于載荷不是常量，這種運行特性使其很容易發(fā)生疲勞破壞，這就使得風電機組運行安全性出現問題，也許達不到那么高的使用壽命。近年來國內外經常出現風電葉片斷裂事故，一旦葉片受到損害，將及修復就非常復雜，而且會使得風力發(fā)電機的工作效率降低。因此， 想要提前預警災難，就必然要對風電葉片實施安全性檢查。在設備運轉過程中，如若其中某一葉片發(fā)生疲勞斷裂，則使得另外兩個葉片無法繼續(xù)工作，只有三個完整葉片共同工作才能完成設備的正常運轉。這也就造成巨大的經濟損失，也可能因此造成更大的安全事故。要避免這種安全隱患，設備的疲勞實驗驗證成為保證新型葉片研發(fā)是否成功的重要一環(huán)。

關于風機葉片疲勞加載測試，國外起步較早，發(fā)展比較迅速，尤其是德國、丹麥與荷蘭處于領先水平。

目前國內在葉片疲勞彎矩優(yōu)化匹配方面少有研究。烏建中團隊[1]運用優(yōu)化理論建立了葉片彎矩優(yōu)化匹配數學模型，并以此建立了通用的葉片疲勞彎矩優(yōu)化匹配軟件平臺。

在葉片疲勞測試方面，太原理工大學米良、程珩[2]等人提出結合將伴隨損傷理論相和非齊次泊松隨機過程函數的方法來粗略計算風機葉片疲勞壽命，使載荷作用次序的問題得到有效解決，使風機葉片的疲勞可靠性設計有了新的方向。

中科院工程熱物理研究所的石可重、趙曉路[3]等人研究了重力載荷下風機葉片疲勞數值計算方法，結合線性疲勞損傷累計理論和S-N壽命曲線，使用非線性瞬態(tài)動力學數值計算方法，提出了新的計算葉片壽命的方法；石可重、毛火軍等人把葉片等效成懸臂梁，分析阻尼對葉片模態(tài)的影響，結果表明阻尼對頻率計算影響很小，可忽略不計；蘭州理工大學司敏劼[4]等人通過建立風機葉片有限元模型，對其進行流固耦合數值仿真完成疲勞分析。

但是確實有很多因素導致疲勞破壞，通過計算得到疲勞性能非?？嚯y。并且其它行業(yè)已有的試驗經驗和知識不能直接應用于評估風電葉片的性能，這都是由于風電葉片其結構的特殊性。

而傳統(tǒng)的疲勞試驗使得葉片不只在豎直方向受力，還在水平方向受力，造成誤差較大。因此研究人員應該將研究重點放在減小實驗誤差，提高實驗精度上，使得實驗結果更具有說服力，更加有其實施的合理性。當對于大型風電葉片的疲勞試驗檢測更加精確時，也就降低了其出廠時應用于風力發(fā)電時的突然間折斷或者未到額定壽命便疲勞斷裂的情況。

并且，目前國內對于進行疲勞試驗的相關試驗臺也還需要加大投入，要葉片模型進行精準的疲勞試驗那必然需要有較高要求的試驗臺，并且應該注意外部實驗環(huán)境的影響，在實驗過程中應該使得外部因素的影響降到最低，避免葉片所受載荷不在與其計算范圍內。通過更精確的試驗要求，能夠使得葉片的安全性更好，并且在使用過程中降低了對人身安全造成危險的風險。這對于提高大型風電葉片的質量、促進國家經濟發(fā)展有著重要意義。

參考文獻：

[1]烏建中，陳策輝.風電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置設計[J].裝備制造技術，2017（01）：23-25+61

[2]米良，程珩，權龍.基于泊松隨機過程的風力發(fā)電機葉片疲勞壽命估算[J].機械工程學報，2016，52（18）：134-139

[3]石可重，趙曉路，徐建中.重力載荷下風電葉片疲勞數值計算方法研究[J].太陽能學報，2013，34（02）：181-185

[4]司敏劼，陳振斌，鄭玉巧.基于ANSYS兆瓦風力發(fā)電機葉片疲勞壽命分析[J].現代制造工程，2016（10）：148-152