李太安 孫彥利 賴如輝 高 偉/青島華創(chuàng)風能有限公司

風力發(fā)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(chuàng)風能有限公司

風力發(fā)電機組機械載荷測試主要是為了驗證風力發(fā)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(jù)此，本文對風力發(fā)電機組機械載荷測試及疲勞進行了具體分析。

風力發(fā)電機組；機械；載荷測試；疲勞分析

目前我國形成了最大規(guī)模的中小型風力發(fā)電市場，但是其中很多發(fā)電機生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場銷售產(chǎn)品大部分沒有經(jīng)過測試和認證，導致一些劣質(zhì)產(chǎn)品充斥市場。這就需要風力發(fā)電企業(yè)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(tài)測試以及塔架底部的偏航力矩、俯仰彎矩靜態(tài)測試，其中以葉片靜載荷測試為主。

一、風力發(fā)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(shù)據(jù)。在進行測試時，首先建設一個擁有足夠剛、強度和穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(xié)調(diào)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(zhuǎn)換器及葉片翻身，將葉片翻轉(zhuǎn)到Flapwise-Max方向，壓力側(cè)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(zhuǎn)換器安裝到試驗臺上。轉(zhuǎn)換器與試驗臺連接，通過液壓扳手將轉(zhuǎn)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(diào)平，根據(jù)調(diào)平載荷數(shù)據(jù)將葉片調(diào)整到水平狀態(tài)。畫水平零度線并作預加載60％的加載試驗，葉片調(diào)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(jié)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(tài)測試

電機主軸彎矩和扭矩動態(tài)測試的原理與葉片靜載荷測試原理基本相似，唯一的區(qū)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(zhuǎn)的，針對主軸應變片進行數(shù)據(jù)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(tài)測試

塔架底部的偏航力矩和俯仰彎矩靜態(tài)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(nèi)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(fā)電機組機械的疲勞分析

（一）平均應力的等效轉(zhuǎn)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(huán)等效轉(zhuǎn)換為零平均應力的應力循環(huán)。等效壽命曲線圖是用來描述S-N數(shù)據(jù)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(lián)系，作為平均應力和應力幅值的函數(shù)。根據(jù)疲勞經(jīng)驗公式進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)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(xiàn)次數(shù)關系的表格、圖形和矩陣等稱之為載荷譜。疲勞壽命預測結(jié)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(jīng)過處理后，會得到載荷循環(huán)次數(shù)。根據(jù)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(huán)次數(shù)，從而繪制風機疲勞載荷譜。橫坐標用來表示載荷循環(huán)次數(shù)，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(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，得到風機測試機械在某工況下的疲勞循環(huán)次數(shù)，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(fā)電機所在風場的風速分布模型，并預測風力發(fā)電機在壽命期間可能出現(xiàn)的各種具體事件的數(shù)量信息。其次從數(shù)據(jù)中提取相關數(shù)據(jù)，對存儲的單位與雨流數(shù)確定最大俘獲周期幅值，將雨流計數(shù)平均分成步長為1m/s風速下的單位數(shù)據(jù)包。最后，將數(shù)據(jù)包的計數(shù)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(jié)語

總而言之，經(jīng)過載荷測試后，所獲測試結(jié)果，時間序列曲線，主要包括風況，風力發(fā)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(tǒng)計，風力發(fā)電機組運行參數(shù)統(tǒng)計，疲勞載荷統(tǒng)計。

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