王秋波

摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)對(duì)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(shè)備的疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試其疲勞強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：葉片；疲勞；風(fēng)電

能源資源是能源發(fā)展的基石。自改革開放開始以來，，國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展離不開中國(guó)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(guó)家，世界各國(guó)都在大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，各國(guó)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(duì)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(jìn)行發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電就是非常環(huán)保的一種發(fā)電方式，而且風(fēng)能應(yīng)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(guó)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(guó)正在加快發(fā)展風(fēng)電技術(shù)，并且這已成為國(guó)際社會(huì)的共同目標(biāo)，致力于能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的推動(dòng)和改善全球氣候變暖。在新能源技術(shù)中，風(fēng)電已經(jīng)作為發(fā)展最快和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為人們所熟知，已在全球范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)。我國(guó)繼煤電、水電之后的第三大電源就是風(fēng)電。但隨著不斷擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，風(fēng)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(zhǎng)度，并且考慮到過長(zhǎng)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(jié)劑問題使得外殼的前緣與后緣之間出現(xiàn)黏結(jié)不牢。這就使得對(duì)于葉片的質(zhì)量控制非常關(guān)鍵。因此需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)改進(jìn)以提高葉片出廠時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量。

風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，再由機(jī)械能實(shí)現(xiàn)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電在風(fēng)的作用下使得葉片旋轉(zhuǎn)，再用過機(jī)械提高旋轉(zhuǎn)的速度，使得發(fā)電機(jī)發(fā)電。全國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用量將達(dá)到2到3千萬千瓦已經(jīng)成為未來15年國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃目標(biāo)。

風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量已經(jīng)從最初很少容量發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級(jí)，甚至在向十兆瓦級(jí)、幾十兆瓦級(jí)努力，這促進(jìn)了提高風(fēng)能捕獲，降低了度電成本。葉片是風(fēng)電發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的重要部件，整機(jī)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(yùn)行，風(fēng)雨的腐蝕等等都會(huì)影響葉片的壽命，因此隨著風(fēng)電葉片常年的運(yùn)轉(zhuǎn)，不知道什么時(shí)候就會(huì)發(fā)生意外事故，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益造成危害。

風(fēng)電葉片在設(shè)計(jì)時(shí)一般能使用20年，但是風(fēng)電機(jī)組由于載荷不是常量，這種運(yùn)行特性使其很容易發(fā)生疲勞破壞，這就使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全性出現(xiàn)問題，也許達(dá)不到那么高的使用壽命。近年來國(guó)內(nèi)外經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)電葉片斷裂事故，一旦葉片受到損害，將及修復(fù)就非常復(fù)雜，而且會(huì)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率降低。因此， 想要提前預(yù)警災(zāi)難，就必然要對(duì)風(fēng)電葉片實(shí)施安全性檢查。在設(shè)備運(yùn)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(gè)葉片無法繼續(xù)工作，只有三個(gè)完整葉片共同工作才能完成設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這也就造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(shè)備的疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成為保證新型葉片研發(fā)是否成功的重要一環(huán)。

關(guān)于風(fēng)機(jī)葉片疲勞加載測(cè)試，國(guó)外起步較早，發(fā)展比較迅速，尤其是德國(guó)、丹麥與荷蘭處于領(lǐng)先水平。

目前國(guó)內(nèi)在葉片疲勞彎矩優(yōu)化匹配方面少有研究。烏建中團(tuán)隊(duì)[1]運(yùn)用優(yōu)化理論建立了葉片彎矩優(yōu)化匹配數(shù)學(xué)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(tái)。

在葉片疲勞測(cè)試方面，太原理工大學(xué)米良、程珩[2]等人提出結(jié)合將伴隨損傷理論相和非齊次泊松隨機(jī)過程函數(shù)的方法來粗略計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片疲勞壽命，使載荷作用次序的問題得到有效解決，使風(fēng)機(jī)葉片的疲勞可靠性設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)葉片疲勞數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合線性疲勞損傷累計(jì)理論和S-N壽命曲線，使用非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，提出了新的計(jì)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(duì)葉片模態(tài)的影響，結(jié)果表明阻尼對(duì)頻率計(jì)算影響很小，可忽略不計(jì)；蘭州理工大學(xué)司敏劼[4]等人通過建立風(fēng)機(jī)葉片有限元模型，對(duì)其進(jìn)行流固耦合數(shù)值仿真完成疲勞分析。

但是確實(shí)有很多因素導(dǎo)致疲勞破壞，通過計(jì)算得到疲勞性能非?？嚯y。并且其它行業(yè)已有的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)不能直接應(yīng)用于評(píng)估風(fēng)電葉片的性能，這都是由于風(fēng)電葉片其結(jié)構(gòu)的特殊性。

而傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)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(yīng)該將研究重點(diǎn)放在減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度上，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，更加有其實(shí)施的合理性。當(dāng)對(duì)于大型風(fēng)電葉片的疲勞試驗(yàn)檢測(cè)更加精確時(shí)，也就降低了其出廠時(shí)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電時(shí)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(guó)內(nèi)對(duì)于進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)也還需要加大投入，要葉片模型進(jìn)行精準(zhǔn)的疲勞試驗(yàn)?zāi)潜厝恍枰休^高要求的試驗(yàn)臺(tái)，并且應(yīng)該注意外部實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)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(jì)算范圍內(nèi)。通過更精確的試驗(yàn)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(duì)人身安全造成危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于提高大型風(fēng)電葉片的質(zhì)量、促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]米良，程珩，權(quán)龍.基于泊松隨機(jī)過程的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片疲勞壽命估算[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52（18）：134-139

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

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