環境因素對風機葉片內部損傷的影響

叢日強 張 永 王 健

（內蒙古農業大學，內蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

電能是當今社會的核心能源，風力發電憑借風能蘊藏量大、無污染、易于開發等優點在各種清潔能源中脫穎而出被重點開發和利用。風力機葉片風力發電機組的關鍵部件，承擔著能量轉換的重要作用[1]。在風力機葉片長期的運行過程中，惡劣的環境和自身復雜的應力使風力機葉片表面及內部產生多種損傷，極大地影響了風力機葉片的安全運行和使用壽命，因此及時檢出損傷對確保風力發電機組的安全運行、減少維護成本、高效利用風能有著重要意義。

相較于外部損傷，內部損傷的檢測具有一定難度，在現有的內部損傷檢測方法中，紅外熱像檢測技術因非接觸、掃描面積大、效果直觀等優點被廣泛應用。康爽[2]等使用2個1 kW鹵素燈持續激勵包含泡沫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過程中三種缺陷區域與正常區域的溫度，分析各缺陷區域與正常區域的溫差，設置不同的溫差閾值判斷缺陷類型。吳國境[3]等在室外條件下以太陽為激勵源，對附有人工損傷的2 kW風電葉片進行了紅外熱像檢測，結果表明，三種損傷在不同環境溫度和太陽輻照度下表現出不同溫度場分布。紅外熱像檢測技術不僅與損傷本身參數有關，受環境因素影響也較大。Tamara[4]等以退役的風力機葉片段為研究對象，在室外環境下采用紅外熱像儀，對風力機葉片段內部人工損傷、膠粘分層和油污等進行了檢測，結果表明，不同類型損傷在不同空氣溫度、濕度和太陽照射條件下呈現出不同的效果。

綜上所述，在現場對風力機葉片使用紅外熱像技術進行損傷檢測受自然環境因素的影響較大，且每個因素的最佳條件難以同時具備，因此探究影響風力機葉片戶外紅外檢測的主要自然條件十分必要。在主要影響因素達到條件時，降低其他影響因素的要求可以增加檢測作業時長。本研究通過數值模擬的方法，設置正交試驗并對結果進行方差分析，探究了太陽輻照度、環境溫度和風速三種因素對風力機葉片內部損傷檢測效果影響大小。

1 因素水平的確定

為應對現有無人機巡檢趨勢，結合內蒙古地區自然氣候條件，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 數值仿真研究

COMSOL是一款具有多物理場耦合分析能力的數值仿真軟件，模型構建十分靈活，選取單或多個物理場，從材料庫選擇材料或建立新材料，自由定制邊界條件、網格劃分等。在仿真計算后，調用COMSOL強大的數據處理能力，可根據需求繪制圖形或導出數據。因此，本文選用COMSOL作為仿真軟件。

2.1 幾何模型的構建

以現有的1.5 MW風力機葉片葉尖段為建模對象，該葉片段高60 cm，寬80 cm，后20 cm，殼體厚5 mm，葉片內部以短軸所在平面為對稱面建立兩根梁。使用Creo 7.0建立三維模型，并在三維模型中部兩梁間內表面制造長12 cm、寬6 mm、深2.5 mm的裂紋。將三維模型導入COMSOL中。

2.2 材料屬性及物理場參數設置

本試驗探究太陽輻照度、環境溫度和風速對內部裂紋區域異常熱效應的影響，在求解過程中使用參數化掃描可以在同一模型中對不同參數組合進行計算，便于對比不同參數組合的求解結果。因此在全局定義節點下，將太陽輻照度、環境溫度和風速設置為全局參數。

材料庫中選擇空氣定義給葉片內部空腔的空氣，大型風力機葉片的GFRP材料參數如表2所示。

表2 風力機葉片GFRP材料參數

選擇表面對表面輻射的耦合物理場，包含了固體傳熱和表面對表面輻射兩個物理場。在固體傳熱物理場節點將葉片殼體和梁設定為固體，內部空氣設為氣體，設置溫度初始值為環境溫度，根據國家標準GB/T 8175—2008《設備及管道絕熱設計導則》，風速v和對流換熱系數h之間的關系可使用公式（1）描述。

即3 m/s、6 m/s和9 m/s對應的對流換熱系數為23.12 W/（m2·K）、28.15 W/（m2·K）和32 W/（m2·K），定義于對流換熱表面。

在表面對表面輻射物理場節點下將所有暴露在環境中的表面定義為漫反射表面，添加外部輻射源，類型為無限距離，輻射入射方向垂直于包含內部裂紋的表面，輻射強度在全局定義節點下輻照度參數處設置。

2.3 網格劃分

由于風力機葉片段體積較大，內部裂紋所占空間較小，二者體積相差極大，使用用戶控制網格的方法劃分網格。按照“先重點后次要，先內部后外部”的劃分原則，首先加密內部裂紋區域的網格，其次內部裂紋區域和正常參考區域的溫差區別是由于殼體厚度不同造成的，因此在殼體厚度方向設置足夠層數的網格，同時在固體和氣體交界面處增加邊界層，共產生398 654個四面體單元。

2.4 求解設置

設置仿真總時長60 s，步長為1 s，待求解的自由度數為1 099 900，加上704 923個內部自由度。使用參數化掃描的方式求解，風速已由公式（1）換算為對應的對流換熱系數，如圖1所示。圖2所示為已完成導入模型，參數和材料設置，網格劃分和求解設置的模型界面。

圖1 參數化掃描設置界面

圖2 仿真模型界面

3 仿真結果與分析

取60 s時刻內部裂紋區域中心點和正常參考區域點的溫差為試驗結果，并將結果分析列于表3中。圖3為輻照度為300 W/m2，環境溫度為15℃，風速為6 m/s時60 s時刻模型表面溫度場。

表3 試驗統計及結果

圖3 300 W/m2、15℃、6 m/s條件時60 s的模型表面溫度場

根據仿真結果計算離差平方和與均方，并計算F值。查臨界值F0.05（2，4）=6.94，F0.01（2，4）=18，所以對于給定顯著性水平α=0.05，輻照度對溫差有著非常顯著的影響，風速對溫差有顯著影響，最后將分析結果列于方差分析表中，如表4所示。

表4 方差分析表

試驗結果表明，在10℃至20℃的環境溫度中，環境溫度對溫差的影響可忽略不計。由于試驗指標是溫差，對于紅外熱像檢測越大越好，且溫差隨著輻照度增加而增大，所以針對內部裂紋的檢測應該選在高輻照度條件檢測；溫差隨著風速增大而減小，選擇低風速的條件下執行現場風力機葉片內部損傷的紅外熱像檢測作業。

4 結語

本文以數值模擬的方法，通過設置正交試驗，以內部裂紋區域和正常參考區域溫差為試驗指標，并對試驗結果進行方差分析，研究了太陽輻照度、環境溫度和風速三種環境因素對風力機葉片內部損傷現場檢測的影響。得到了太陽輻照度對溫差具有極顯著的影響，風速對溫差具有顯著的影響，10～20℃環境溫度條件下，環境溫度對檢測結果的影響可以忽略。本研究為開展風力機葉片內部損傷的現場檢測提供了環境因素的參考，根據研究結果建議檢測作業選擇高輻照度、低風速的自然條件下進行。