王秋波

摘要：風力發(fā)電技術對于能源發(fā)展非常重要，但現(xiàn)在其安全性還有待提高，存在許多安全隱患，這就使得設備的疲勞實驗驗證成為保證新型葉片研發(fā)的重要一環(huán)。而傳統(tǒng)的疲勞試驗由于在非規(guī)定方向存在載荷，造成誤差較大，需要通過更加精確的實驗測試其疲勞強度。

關鍵詞：葉片；疲勞；風電

能源資源是能源發(fā)展的基石。自改革開放開始以來，，國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展離不開中國能源工業(yè)的迅速發(fā)展。但是由于傳統(tǒng)的能源利用還存在許多問題，環(huán)境壓力較大，現(xiàn)在不光我們國家，世界各國都在大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，各國一致同意“金山銀山不如綠水青山”。傳統(tǒng)的發(fā)電方式一般是通過煤炭，煤炭對于環(huán)境的危害是眾所周知的，因此現(xiàn)在人們已經(jīng)采用更加環(huán)保的方式來進行發(fā)電。風力發(fā)電就是非常環(huán)保的一種發(fā)電方式，而且風能應該也是取之不盡，用之不竭的，越來越受人們的青睞。

世界各國已經(jīng)日益重視能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題，因此世界各國正在加快發(fā)展風電技術，并且這已成為國際社會的共同目標，致力于能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的推動和改善全球氣候變暖。在新能源技術中，風電已經(jīng)作為發(fā)展最快和應用最廣泛的技術為人們所熟知，已在全球范圍內(nèi)大規(guī)模應用開發(fā)。我國繼煤電、水電之后的第三大電源就是風電。但隨著不斷擴大應用規(guī)模，風電發(fā)展也面臨不少新的問題。由于葉片發(fā)展更偏向于增大其體積和長度，并且考慮到過長的制作周期，因此不可避免地出現(xiàn)一些缺陷。可能出現(xiàn)內(nèi)含雜質(zhì)、氣孔以及由于粘結劑問題使得外殼的前緣與后緣之間出現(xiàn)黏結不牢。這就使得對于葉片的質(zhì)量控制非常關鍵。因此需要進行疲勞試驗改進以提高葉片出廠時的產(chǎn)品質(zhì)量。

風力發(fā)電就是將風動能轉(zhuǎn)變成機械運動動能，再由機械能實現(xiàn)發(fā)電。風力發(fā)電在風的作用下使得葉片旋轉(zhuǎn)，再用過機械提高旋轉(zhuǎn)的速度，使得發(fā)電機發(fā)電。全國風力發(fā)電機使用量將達到2到3千萬千瓦已經(jīng)成為未來15年國家重點規(guī)劃目標。

風電機組的單機容量已經(jīng)從最初很少容量發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級，甚至在向十兆瓦級、幾十兆瓦級努力，這促進了提高風能捕獲，降低了度電成本。葉片是風電發(fā)電機實現(xiàn)風能和機械能轉(zhuǎn)化的重要部件，整機的性能和發(fā)電效率在很大程度上受葉片狀態(tài)的好壞的影響，而葉片承受較大的載荷，在惡劣的環(huán)境中運行，風雨的腐蝕等等都會影響葉片的壽命，因此隨著風電葉片常年的運轉(zhuǎn)，不知道什么時候就會發(fā)生意外事故，對風電場的經(jīng)濟效益造成危害。

風電葉片在設計時一般能使用20年，但是風電機組由于載荷不是常量，這種運行特性使其很容易發(fā)生疲勞破壞，這就使得風電機組運行安全性出現(xiàn)問題，也許達不到那么高的使用壽命。近年來國內(nèi)外經(jīng)常出現(xiàn)風電葉片斷裂事故，一旦葉片受到損害，將及修復就非常復雜，而且會使得風力發(fā)電機的工作效率降低。因此， 想要提前預警災難，就必然要對風電葉片實施安全性檢查。在設備運轉(zhuǎn)過程中，如若其中某一葉片發(fā)生疲勞斷裂，則使得另外兩個葉片無法繼續(xù)工作，只有三個完整葉片共同工作才能完成設備的正常運轉(zhuǎn)。這也就造成巨大的經(jīng)濟損失，也可能因此造成更大的安全事故。要避免這種安全隱患，設備的疲勞實驗驗證成為保證新型葉片研發(fā)是否成功的重要一環(huán)。

關于風機葉片疲勞加載測試，國外起步較早，發(fā)展比較迅速，尤其是德國、丹麥與荷蘭處于領先水平。

目前國內(nèi)在葉片疲勞彎矩優(yōu)化匹配方面少有研究。烏建中團隊[1]運用優(yōu)化理論建立了葉片彎矩優(yōu)化匹配數(shù)學模型，并以此建立了通用的葉片疲勞彎矩優(yōu)化匹配軟件平臺。

在葉片疲勞測試方面，太原理工大學米良、程珩[2]等人提出結合將伴隨損傷理論相和非齊次泊松隨機過程函數(shù)的方法來粗略計算風機葉片疲勞壽命，使載荷作用次序的問題得到有效解決，使風機葉片的疲勞可靠性設計有了新的方向。

中科院工程熱物理研究所的石可重、趙曉路[3]等人研究了重力載荷下風機葉片疲勞數(shù)值計算方法，結合線性疲勞損傷累計理論和S-N壽命曲線，使用非線性瞬態(tài)動力學數(shù)值計算方法，提出了新的計算葉片壽命的方法；石可重、毛火軍等人把葉片等效成懸臂梁，分析阻尼對葉片模態(tài)的影響，結果表明阻尼對頻率計算影響很小，可忽略不計；蘭州理工大學司敏劼[4]等人通過建立風機葉片有限元模型，對其進行流固耦合數(shù)值仿真完成疲勞分析。

但是確實有很多因素導致疲勞破壞，通過計算得到疲勞性能非?？嚯y。并且其它行業(yè)已有的試驗經(jīng)驗和知識不能直接應用于評估風電葉片的性能，這都是由于風電葉片其結構的特殊性。

而傳統(tǒng)的疲勞試驗使得葉片不只在豎直方向受力，還在水平方向受力，造成誤差較大。因此研究人員應該將研究重點放在減小實驗誤差，提高實驗精度上，使得實驗結果更具有說服力，更加有其實施的合理性。當對于大型風電葉片的疲勞試驗檢測更加精確時，也就降低了其出廠時應用于風力發(fā)電時的突然間折斷或者未到額定壽命便疲勞斷裂的情況。

并且，目前國內(nèi)對于進行疲勞試驗的相關試驗臺也還需要加大投入，要葉片模型進行精準的疲勞試驗那必然需要有較高要求的試驗臺，并且應該注意外部實驗環(huán)境的影響，在實驗過程中應該使得外部因素的影響降到最低，避免葉片所受載荷不在與其計算范圍內(nèi)。通過更精確的試驗要求，能夠使得葉片的安全性更好，并且在使用過程中降低了對人身安全造成危險的風險。這對于提高大型風電葉片的質(zhì)量、促進國家經(jīng)濟發(fā)展有著重要意義。

參考文獻：

[1]烏建中，陳策輝.風電葉片電磁脈沖式疲勞加載裝置設計[J].裝備制造技術，2017（01）：23-25+61

[2]米良，程珩，權龍.基于泊松隨機過程的風力發(fā)電機葉片疲勞壽命估算[J].機械工程學報，2016，52（18）：134-139

[3]石可重，趙曉路，徐建中.重力載荷下風電葉片疲勞數(shù)值計算方法研究[J].太陽能學報，2013，34（02）：181-185

[4]司敏劼，陳振斌，鄭玉巧.基于ANSYS兆瓦風力發(fā)電機葉片疲勞壽命分析[J].現(xiàn)代制造工程，2016（10）：148-152