環(huán)境因素對(duì)風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部損傷的影響

叢日強(qiáng) 張 永 王 健

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

電能是當(dāng)今社會(huì)的核心能源，風(fēng)力發(fā)電憑借風(fēng)能蘊(yùn)藏量大、無(wú)污染、易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)在各種清潔能源中脫穎而出被重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和利用。風(fēng)力機(jī)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)換的重要作用[1]。在風(fēng)力機(jī)葉片長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，惡劣的環(huán)境和自身復(fù)雜的應(yīng)力使風(fēng)力機(jī)葉片表面及內(nèi)部產(chǎn)生多種損傷，極大地影響了風(fēng)力機(jī)葉片的安全運(yùn)行和使用壽命，因此及時(shí)檢出損傷對(duì)確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行、減少維護(hù)成本、高效利用風(fēng)能有著重要意義。

相較于外部損傷，內(nèi)部損傷的檢測(cè)具有一定難度，在現(xiàn)有的內(nèi)部損傷檢測(cè)方法中，紅外熱像檢測(cè)技術(shù)因非接觸、掃描面積大、效果直觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。康爽[2]等使用2個(gè)1 kW鹵素?zé)舫掷m(xù)激勵(lì)包含泡沫PVC、氣泡、褶皺三種缺陷的玻璃纖維試件，并使用熱像儀記錄激勵(lì)過(guò)程中三種缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的溫度，分析各缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的溫差，設(shè)置不同的溫差閾值判斷缺陷類型。吳國(guó)境[3]等在室外條件下以太陽(yáng)為激勵(lì)源，對(duì)附有人工損傷的2 kW風(fēng)電葉片進(jìn)行了紅外熱像檢測(cè)，結(jié)果表明，三種損傷在不同環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照度下表現(xiàn)出不同溫度場(chǎng)分布。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)不僅與損傷本身參數(shù)有關(guān)，受環(huán)境因素影響也較大。Tamara[4]等以退役的風(fēng)力機(jī)葉片段為研究對(duì)象，在室外環(huán)境下采用紅外熱像儀，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片段內(nèi)部人工損傷、膠粘分層和油污等進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，不同類型損傷在不同空氣溫度、濕度和太陽(yáng)照射條件下呈現(xiàn)出不同的效果。

綜上所述，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片使用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行損傷檢測(cè)受自然環(huán)境因素的影響較大，且每個(gè)因素的最佳條件難以同時(shí)具備，因此探究影響風(fēng)力機(jī)葉片戶外紅外檢測(cè)的主要自然條件十分必要。在主要影響因素達(dá)到條件時(shí)，降低其他影響因素的要求可以增加檢測(cè)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。本研究通過(guò)數(shù)值模擬的方法，設(shè)置正交試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，探究了太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速三種因素對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部損傷檢測(cè)效果影響大小。

1 因素水平的確定

為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)巡檢趨勢(shì)，結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)自然氣候條件，確定各因素水平如表1所示最終確定各因素的水平列于表1所示。

表1 因素水平表

2 數(shù)值仿真研究

COMSOL是一款具有多物理場(chǎng)耦合分析能力的數(shù)值仿真軟件，模型構(gòu)建十分靈活，選取單或多個(gè)物理場(chǎng)，從材料庫(kù)選擇材料或建立新材料，自由定制邊界條件、網(wǎng)格劃分等。在仿真計(jì)算后，調(diào)用COMSOL強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可根據(jù)需求繪制圖形或?qū)С鰯?shù)據(jù)。因此，本文選用COMSOL作為仿真軟件。

2.1 幾何模型的構(gòu)建

以現(xiàn)有的1.5 MW風(fēng)力機(jī)葉片葉尖段為建模對(duì)象，該葉片段高60 cm，寬80 cm，后20 cm，殼體厚5 mm，葉片內(nèi)部以短軸所在平面為對(duì)稱面建立兩根梁。使用Creo 7.0建立三維模型，并在三維模型中部?jī)闪洪g內(nèi)表面制造長(zhǎng)12 cm、寬6 mm、深2.5 mm的裂紋。將三維模型導(dǎo)入COMSOL中。

2.2 材料屬性及物理場(chǎng)參數(shù)設(shè)置

本試驗(yàn)探究太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速對(duì)內(nèi)部裂紋區(qū)域異常熱效應(yīng)的影響，在求解過(guò)程中使用參數(shù)化掃描可以在同一模型中對(duì)不同參數(shù)組合進(jìn)行計(jì)算，便于對(duì)比不同參數(shù)組合的求解結(jié)果。因此在全局定義節(jié)點(diǎn)下，將太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速設(shè)置為全局參數(shù)。

材料庫(kù)中選擇空氣定義給葉片內(nèi)部空腔的空氣，大型風(fēng)力機(jī)葉片的GFRP材料參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)力機(jī)葉片GFRP材料參數(shù)

選擇表面對(duì)表面輻射的耦合物理場(chǎng)，包含了固體傳熱和表面對(duì)表面輻射兩個(gè)物理場(chǎng)。在固體傳熱物理場(chǎng)節(jié)點(diǎn)將葉片殼體和梁設(shè)定為固體，內(nèi)部空氣設(shè)為氣體，設(shè)置溫度初始值為環(huán)境溫度，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8175—2008《設(shè)備及管道絕熱設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，風(fēng)速v和對(duì)流換熱系數(shù)h之間的關(guān)系可使用公式（1）描述。

即3 m/s、6 m/s和9 m/s對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)為23.12 W/（m2·K）、28.15 W/（m2·K）和32 W/（m2·K），定義于對(duì)流換熱表面。

在表面對(duì)表面輻射物理場(chǎng)節(jié)點(diǎn)下將所有暴露在環(huán)境中的表面定義為漫反射表面，添加外部輻射源，類型為無(wú)限距離，輻射入射方向垂直于包含內(nèi)部裂紋的表面，輻射強(qiáng)度在全局定義節(jié)點(diǎn)下輻照度參數(shù)處設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于風(fēng)力機(jī)葉片段體積較大，內(nèi)部裂紋所占空間較小，二者體積相差極大，使用用戶控制網(wǎng)格的方法劃分網(wǎng)格。按照“先重點(diǎn)后次要，先內(nèi)部后外部”的劃分原則，首先加密內(nèi)部裂紋區(qū)域的網(wǎng)格，其次內(nèi)部裂紋區(qū)域和正常參考區(qū)域的溫差區(qū)別是由于殼體厚度不同造成的，因此在殼體厚度方向設(shè)置足夠?qū)訑?shù)的網(wǎng)格，同時(shí)在固體和氣體交界面處增加邊界層，共產(chǎn)生398 654個(gè)四面體單元。

2.4 求解設(shè)置

設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)60 s，步長(zhǎng)為1 s，待求解的自由度數(shù)為1 099 900，加上704 923個(gè)內(nèi)部自由度。使用參數(shù)化掃描的方式求解，風(fēng)速已由公式（1）換算為對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)，如圖1所示。圖2所示為已完成導(dǎo)入模型，參數(shù)和材料設(shè)置，網(wǎng)格劃分和求解設(shè)置的模型界面。

圖1 參數(shù)化掃描設(shè)置界面

圖2 仿真模型界面

3 仿真結(jié)果與分析

取60 s時(shí)刻內(nèi)部裂紋區(qū)域中心點(diǎn)和正常參考區(qū)域點(diǎn)的溫差為試驗(yàn)結(jié)果，并將結(jié)果分析列于表3中。圖3為輻照度為300 W/m2，環(huán)境溫度為15℃，風(fēng)速為6 m/s時(shí)60 s時(shí)刻模型表面溫度場(chǎng)。

表3 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及結(jié)果

圖3 300 W/m2、15℃、6 m/s條件時(shí)60 s的模型表面溫度場(chǎng)

根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算離差平方和與均方，并計(jì)算F值。查臨界值F0.05（2，4）=6.94，F(xiàn)0.01（2，4）=18，所以對(duì)于給定顯著性水平α=0.05，輻照度對(duì)溫差有著非常顯著的影響，風(fēng)速對(duì)溫差有顯著影響，最后將分析結(jié)果列于方差分析表中，如表4所示。

表4 方差分析表

試驗(yàn)結(jié)果表明，在10℃至20℃的環(huán)境溫度中，環(huán)境溫度對(duì)溫差的影響可忽略不計(jì)。由于試驗(yàn)指標(biāo)是溫差，對(duì)于紅外熱像檢測(cè)越大越好，且溫差隨著輻照度增加而增大，所以針對(duì)內(nèi)部裂紋的檢測(cè)應(yīng)該選在高輻照度條件檢測(cè)；溫差隨著風(fēng)速增大而減小，選擇低風(fēng)速的條件下執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部損傷的紅外熱像檢測(cè)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以數(shù)值模擬的方法，通過(guò)設(shè)置正交試驗(yàn)，以內(nèi)部裂紋區(qū)域和正常參考區(qū)域溫差為試驗(yàn)指標(biāo)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，研究了太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速三種環(huán)境因素對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部損傷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的影響。得到了太陽(yáng)輻照度對(duì)溫差具有極顯著的影響，風(fēng)速對(duì)溫差具有顯著的影響，10～20℃環(huán)境溫度條件下，環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響可以忽略。本研究為開(kāi)展風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部損傷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了環(huán)境因素的參考，根據(jù)研究結(jié)果建議檢測(cè)作業(yè)選擇高輻照度、低風(fēng)速的自然條件下進(jìn)行。