風力發電機組機械載荷測試及疲勞分析

李太安 孫彥利 賴如輝 高 偉/青島華創風能有限公司

風力發電機組機械載荷測試及疲勞分析

李太安 孫彥利 賴如輝 高 偉/青島華創風能有限公司

風力發電機組機械載荷測試主要是為了驗證風力發電機組設計計算的有效，并確定特殊狀況下整機承受的載荷大小。據此，本文對風力發電機組機械載荷測試及疲勞進行了具體分析。

風力發電機組；機械；載荷測試；疲勞分析

目前我國形成了最大規模的中小型風力發電市場，但是其中很多發電機生產企業的產品質量參差不齊，市場銷售產品大部分沒有經過測試和認證，導致一些劣質產品充斥市場。這就需要風力發電企業必須加強對機械進行檢測，尤其是機械的載荷，測試的項目主要包括葉片靜載荷測試、電機主軸彎矩和扭矩動態測試以及塔架底部的偏航力矩、俯仰彎矩靜態測試，其中以葉片靜載荷測試為主。

一、風力發電機組機械荷載測試

（一）葉片測試原理

進行葉片檢測時，需要先測量物理特性。葉片靜力試驗就是對葉片施加載荷，同時在葉片上粘貼應變片采集葉片應力應變信號數據。在進行測試時，首先建設一個擁有足夠剛、強度和穩定性的固定基座，試驗過程中，將葉片安裝到試驗臺上。在葉片靜力試驗期間，葉片的加載載荷必須不間斷地測量，同時需要利用分布在葉片上的應變片測量葉片結構的應變。采用起重機、絞盤、葫蘆或其它加載方式，一般采用起重器垂直加載或葫蘆水平加載，條件受到限制，也可以采用沙包等重物模擬施加壓力的方式進行。對葉片加載的同時，采用電測法測量應變信號。測試方案為距離葉片根部的截面施加靜載荷，加載方法為初級載荷按滿載荷的10％，進行分級協調加載，試驗載荷通過起吊設備和安裝在葉片上的加載夾具傳遞到葉片上，其矢量方向通過葉片的剪切中心。

（二）葉片測試

安裝葉根轉換器及葉片翻身，將葉片翻轉到Flapwise-Max方向，壓力側朝上，安裝角度為-185°。將葉片安裝到試驗臺，通過兩點起吊的方式，將葉片吊到靜力試驗臺。安裝定位連接螺栓，就是通過72根M36的長螺栓將轉換器安裝到試驗臺上。轉換器與試驗臺連接，通過液壓扳手將轉換器與試驗臺緊密連接。安裝Flapwise-Max時，檢測相關夾具及保護鋼絲繩。檢測安裝試驗相關測試設備及連接測試導線。葉片調平，根據調平載荷數據將葉片調整到水平狀態。畫水平零度線并作預加載60％的加載試驗，葉片調平后，在位移線上做出標記，然后進行預加載60％的試驗。進行加載試驗，如果溫度低于20℃時，每降低5 ℃額定載荷需增加1％，由于試驗溫度為5℃，所以試驗時，需要加載到103％，并記錄試驗時的溫度、濕度和葉根水平度，給出加載103％時測試效果圖。Flapwise-Max方向測試結束，得出測試值及與理論值的偏差。依次進行試驗。

（三）電機主軸彎矩和扭矩動態測試

電機主軸彎矩和扭矩動態測試的原理與葉片靜載荷測試原理基本相似，唯一的區別是測點布置位置不同，如圖1、圖2所示。

圖1 在主軸上間接測量風輪扭矩

圖2 在主軸上間接測量偏航和俯仰

在測試過程中，由于主軸是旋轉的，針對主軸應變片進行數據傳輸，采用滑輪或無線連接的方式，如圖3所示。

圖3 主軸上應變片的無線連接框圖

圖4 塔架中應變片

（四）塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態測試

塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態測試原理與葉片靜載荷測試原理相同，應變片安裝在塔架內壁上，應該盡量避免門、法蘭盤、焊縫、平臺的影響。安裝位置如圖4所示。

二、風力發電機組機械的疲勞分析

（一）平均應力的等效轉換

平均應力對累計損傷具有較大的影響，所以必須按照等效損傷的原則，將非零平均應力的應力循環等效轉換為零平均應力的應力循環。等效壽命曲線圖是用來描述S-N數據的。在曲線圖中，等效壽命曲線和相同的估算壽命之間建立聯系，作為平均應力和應力幅值的函數。根據疲勞經驗公式進行轉換，經過轉換，將二維矩陣壓縮處理成一維矩陣，矩陣元素是關于應力幅值的，就可以進行載荷譜的編制過程。

其中，Si為等效零均值應力，Sai為第i個應力幅值，Smi為第i個應力均值，σb為拉伸強度極限。

（二）疲勞載荷譜的編制

表示測量隨機載荷與出現次數關系的表格、圖形和矩陣等稱之為載荷譜。疲勞壽命預測結果在很大程度上是由載荷譜的準確性決定的。風機載荷——時間歷程在經過處理后，會得到載荷循環次數。根據風速分布情況和風機設計壽命，便能夠得到各個載荷工況在風機壽命期間的總循環次數，從而繪制風機疲勞載荷譜。橫坐標用來表示載荷循環次數，縱坐標用來表示疲勞載荷大小，就能夠完整地生成疲勞載荷譜。編制風機疲勞載荷譜是設計機械結構，預測疲勞壽命的基礎。

（三）利用載荷譜進行疲勞分析和壽命預測

計算材料和機械疲勞載荷譜的方法主要有兩種，即時域法和頻域法。其中時域法通過有效的疲勞載荷時間序列的數據進行統計處理，得到風機測試機械在某工況下的疲勞循環次數，從而得到疲勞載荷譜，完成對疲勞損傷壽命的估計。首先確定風力發電機所在風場的風速分布模型，并預測風力發電機在壽命期間可能出現的各種具體事件的數量信息。其次從數據中提取相關數據，對存儲的單位與雨流數確定最大俘獲周期幅值，將雨流計數平均分成步長為1m/s風速下的單位數據包。最后，將數據包的計數乘以相應的風速分布，計算累積頻率和估算壽命是否滿足設計要求。

三、結語

總而言之，經過載荷測試后，所獲測試結果，時間序列曲線，主要包括風況，風力發電機組運行特性，葉片、風輪、塔架的載荷，葉片的擺振彎矩及軸扭矩隨方位角的變化，風速測量統計，風力發電機組運行參數統計，疲勞載荷統計。

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