影響風電葉片安全可靠及壽命的因素分析

田科峰

影響風電葉片安全可靠及壽命的因素分析

田科峰

(宿州市供電公司,安徽宿州 234000)

風電葉片是風力發電機組的重要部件,是風力機的核心技術。它的安全可靠和壽命問題直接影響風力機的性能和成本。從設計、制造、檢測和運行四個方面對影響風電葉片安全可靠及壽命的因素進行了分析,給出了保證葉片安全可靠運行的一些措施。

風電葉片;安全;壽命

風能由于具有可再生、綠色環保等優點,已經成為世界很多國家和區域能源戰略發展的重點。據全球風能委員會報導,2008年底全球新裝風力機容量接近121.2GW,比2007年新增裝機容量約29%。中國新裝機容量占全世界新增容量的23.8%。目前,國內外對風能技術研究非常關注,其中有大量綜述性文獻對近幾年風能發展狀況及相關技術進展進行了評述[1]1117-1145[2]。這些文獻評述了各國風力機裝機情況、風資源評價、風場選擇、風力機空氣動力學、風力發電系統可靠性、控制系統、風力發電經濟性、風力機設計方法等方面。

風電葉片是風力機的關鍵部件,風電葉片成本占風力機總成本的15～20%。風電葉片性能直接影響風力發電機組的成本和年發電量。風力機一般在偏遠地區或海上運行,維護成本很高,因此風電葉片的安全可靠及長壽命運行是風力發電領域非常關心的問題。風電葉片安全可靠及長壽命運行涉及很多環節,主要包括葉片設計、葉片制造、葉片檢測、葉片運行維護,各個環節都有大量因素影響葉片的安全性。本文主要分析各環節中影響葉片安全性的因素,并提出保證葉片安全可靠長壽命運行的相關措施,以期為葉片設計、制造和運行的相關人員提供參考。

1 設計因素

設計水平是決定風電葉片安全和壽命的最重要因素。葉片的主要功能是將風的動能轉換成風輪的機械能,這個功能主要由葉片翼型的氣動性能決定,葉片的氣動性能影響葉片風力機的功率系數和年發電能力。葉片要完成其功能,必須有足夠的剛度、強度、穩定性和疲勞壽命,這主要取決與葉片的結構設計水平。葉片在極限載荷和疲勞載荷作用下,存在多種失效模式,主要包括葉片局部或整體屈曲、局部強度失效、疲勞失效。決定葉片是否安全可靠的設計因素是氣動載荷計算的精度、有限元模型的精度和葉片復合材料失效的判定準則。目前,為了保證葉片設計水平,很多機構都制定了葉片設計的技術要求和規范[3][4],如IEC,GL,DNV等。

葉片主要載荷是風引起的氣動載荷和操作引起的載荷,載荷計算是葉片設計的基本條件。在GL風力機標準中第四部分對風況條件、載荷的計算方法、現場條件的評估進行了詳細的規定,給出了相關的模型和參數。第五部分對風力機各結構應力的確定方法、各類材料的強度、穩定性、疲勞分析進行了規定。第六部分對轉子葉片的設計進行了規定[3]。這些規范反映了目前的設計水平,必須滿足規范設計規定才能保證葉片的安全可靠。

由于風力機工作情況的特殊性,其設計要求很高,為保證葉片的安全可靠,必須有專業的從事氣動、結構分析的人員,按規范要求對葉片進行詳細的分析和設計,以保證葉片能夠承受極限載荷和疲勞載荷。目前設計規范中對結構設計主要采用分項因子的設計方法考慮設計中各參數的隨機性,分項因子的選擇取決于設計經驗。由于目前風電產業正在快速發展,大功率、新型葉片不斷出現,為了提高設計的可靠性,可以采用基于可靠性的優化設計方法,在滿足結構安全可靠的條件下,設計出更為高效和低成本的葉片。

2 制造因素

目前大功率葉片基本上是由熱固性基體樹脂與玻璃纖維或碳纖維等增強材料,通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成[5]53-56。為了保證葉片的氣動外形并有足夠的強度,葉片一般為空心結構,包括兩部分:蒙皮和主梁,其典型的截面如圖1所示[6]86-91。蒙皮的形狀由氣動性能決定,主梁承受主要載荷,主梁的結構型式有很多,有翼板、箱型、D型、O型等,其主要目的是保證安全的條件下,重量盡量輕,這樣可以降低葉片成本,同時減少載荷。

圖1 典型的葉片截面型式

傳統風力機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上鋪設玻璃纖維和樹脂,然后成型玻璃鋼(FRP)葉片蒙皮,主梁及其他玻璃鋼部件也分別在專用模具上成型,最后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起,合模加壓固化后成整體葉片。這種制造工藝的優點是成本低,缺點是質量保證困難。目前先進的葉片制造工藝往往采用RIM、RTM、纏繞及預浸料/熱壓工藝制造[7]48-51。葉片最重要的部位是葉根,葉片的全部載荷要通過葉根傳遞到輪轂,其承受的載荷最大。典型葉根連接型式如圖2所示,從圖中可以看到,葉根形式復雜,保證葉根各部分和材料間的連接強度是葉片安全的重要因素。

圖2 典型葉根連接型式

在制造過程中,為了保證葉片的制造質量,一定要注意采用的纖維類型、纖維鋪設方向、樹脂和粘合劑的溫度、濕度、合理的模具確保基體樹脂均勻地達到葉型的任何位置,避免缺陷。保證連接部位的強度,要通過一定的檢測方法保證葉片的制造質量。同時要注意加工過程的標準化,減少葉片材料性能的隨機性。

3 檢測因素

按規范的要求,所有新設計的葉片必須進行檢測,其主要目的是保證葉片的結構性能達到要求。葉片主要的檢測項目包括:質心(重心)、剛度的分布、固有頻率、極限強度和疲勞強度。目前風電葉片制造企業大都具有檢測部門,可以進行材料,甚至全尺寸葉片的檢測項目。國內外對葉片的檢測技術研究非常重視,目前各國的風力機標準中都要求葉片進行全尺寸疲勞性能實驗以確定葉片的疲勞性能是否符合要求,如IEC614000-23。為了適應風力機技術的發展,美國國家可再生能源實驗室(NREL)與可再生能源中心(NaREC)建設了一個新的葉片實驗場,可以進行70m長葉片的全尺寸實驗。

由于復合材料葉片一般采用復雜的工藝過程進行制造,在制造過程中,內部難免會出現氣孔、裂縫等缺陷,因此,葉片制造過程中的檢測方法和水平對葉片安全性有重要影響。目前常用的缺陷檢測技術是無損檢測技術(NDT),如紅外成像[8]48-52、超聲波探傷技術檢測葉片的缺陷,這些檢測方法精度高,對葉片沒有損害,但是紅外成像和超聲探傷設備成本很高,只有具有一定生產能力的企業具備,而且在風力機認證規范中沒有規定具體的檢測手段。由葉片的生產工藝可以看出,復合材料在生產過程中產生裂紋或固化缺陷的可能很大。采用先進的探傷和檢測技術是保證葉片長壽命運行的重要技術手段。

4 運行監測因素

風力機長期工作在自然條件下,工作條件惡劣,存在晝夜溫度變化、雷擊、沙塵或腐蝕等環境因素作用。在壽命期間承受確定性、周期性和隨機性載荷,如陣風、湍流、風剪、斜風、偏航、起動剎車、重力與慣性力等。隨著風力機發電功率的提高,葉片尺寸不斷加大,大功率風電葉片是一個長、柔結構,因此有可能受到共振載荷的作用。鑒于葉片工作的特點,即使設計、制造、檢測符合要求的葉片在運行中也有可能出現缺陷,因此運行中的保養和維護也十分重要。

如果能夠實時監測葉片的狀態,在早期發現葉片的損傷,根據實際情況對葉片進行及時維護,就可以保證葉片的安全可靠,降低事故和維修成本。目前美國Sandia實驗室正在開展葉片健康狀態監測的研究工作,通過在葉片根部表面粘貼應變片監測葉根應變和載荷,在葉片表面安裝聲發射傳感器監測葉片的損傷,當葉片發生纖維斷裂、分層或分離時,通過聲波可以檢測到這些損傷。美國的Aith2 er engineering公司通過在葉片內部設置光纖傳感器對葉片的損傷狀態進行實時監測。在葉片中加裝載荷或缺陷的傳感裝置可以極大提高葉片的安全性,但同時要求很高的技術,大幅度提高了葉片的成本,目前國內葉片生產企業沒有采用此技術,但隨著光纖技術發展,風力發電技術對葉片安全性要求的提高,采用光纖傳感器的葉片將變成可能,先進的實時狀態監測技術為葉片安全可靠運行提供了保證。

[1] G.M.Joselin Herbert,S.Iniya,E.Sreevalsan, etl.A Review of Wind Energy Technologies.Re2 newable&Sustainable Energy Reviews.2007(6).

[2] Xia Changliang,Song Zhanfeng.Wind energy in Chi2 na:Current scenario and future perspectives.Re2 newable and Sustainable Energy Reviews.2009.

[3] Germanischer Lioyd.Guideline for the certification of wind turbines.2004.

[4] Det Norske Veritas.Design and manufacture of wind turbineblades,offshoreandonshorewind turbine.2006.

[5] 陳宗來,陳余岳.大型風力機復合材料葉片技術及進展[J].玻璃鋼/復合材料,2005(03).

[6] Tony Burton,等.風能技術[M].武鑫,等,譯.北京:科學出版社,2007.

[7] 潘藝,周鵬展,王進.風力發電機葉片技術發展概述[J].湖南工業大學學報,2007(03).

[8] 肖勁松,嚴天鵬.風力機葉片的紅外熱成像無損檢測的數值研究[J].北京工業大學學報,2006(01).

責任編輯:訾興建

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田科峰(1974210),男,安徽宿州供電公司工程師,在職工程碩士。