100 kW風(fēng)力機(jī)葉片的靜載荷測(cè)試試驗(yàn)研究

徐立軍　徐　蕾

(新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830000)

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100 kW風(fēng)力機(jī)葉片的靜載荷測(cè)試試驗(yàn)研究

徐立軍徐蕾

(新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830000)

摘要：風(fēng)力機(jī)葉片的全尺寸檢測(cè)是對(duì)葉片質(zhì)量和安全性進(jìn)行評(píng)估的重要手段，而葉片的靜載荷試驗(yàn)是分析葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。對(duì)100 kW風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。采用不測(cè)力法，分別從最大擺振、最小擺振、最大揮舞、最小揮舞4個(gè)方向施加載荷?；跍y(cè)得的葉片靜載荷數(shù)據(jù)，分析了葉片在載荷作用下的剛度及應(yīng)變等性能，并通過(guò)失效試驗(yàn)對(duì)葉片的安全性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)表明，葉片具有較大的安全裕量。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片靜載荷剛度應(yīng)變風(fēng)力發(fā)電可再生能源安全性

0引言

隨著傳統(tǒng)能源的逐漸耗盡，可再生能源相關(guān)技術(shù)已成為近年來(lái)世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因風(fēng)能分布廣泛、技術(shù)成熟、成本較低以及商業(yè)化前景明朗，成為了世界上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)之一。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，承受了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中絕大部分的載荷，其設(shè)計(jì)與檢測(cè)技術(shù)涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、氣象學(xué)、環(huán)境科學(xué)、成型工藝等多種學(xué)科及專業(yè)。對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)制造，以保證其優(yōu)異的性能是決定風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的重要因素。風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)要滿足20年的工作壽命，該要求超出其他任何大型組合部件所能承受的壽命。鑒于風(fēng)力機(jī)葉片的機(jī)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境，必須進(jìn)行全尺寸的檢測(cè)，以便對(duì)葉片的安全及工作性能進(jìn)行評(píng)估，并為大型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

我國(guó)的葉片檢測(cè)鑒定研究及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較滯后，受長(zhǎng)期使用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)內(nèi)對(duì)葉片質(zhì)量控制和檢測(cè)的意識(shí)不足，風(fēng)電葉片檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)及檢測(cè)技術(shù)方面的研究明顯滯后。目前，國(guó)內(nèi)尚未建立完善的葉片及原材料的檢測(cè)認(rèn)證體系，作為獲得設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)據(jù)的主要手段和認(rèn)證的有效組成部分，葉片的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試剛剛起步。

本文在保定華翼風(fēng)電研發(fā)中心，對(duì)中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所國(guó)家能源風(fēng)電葉片研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心設(shè)計(jì)的100kW葉片進(jìn)行了靜載荷檢測(cè)試驗(yàn)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)葉片性能進(jìn)行了分析和評(píng)估。

1載荷設(shè)計(jì)

使用FOCUS5進(jìn)行了葉片的極限載荷計(jì)算，載荷計(jì)算過(guò)程中的載荷工況基于IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義。結(jié)構(gòu)分析采用FOCUS5 軟件中的Farob模塊。外部條件使用IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)的 ⅡA等級(jí)，風(fēng)場(chǎng)條件如表1所示。

表1　風(fēng)場(chǎng)條件Tab.1　Wind field condition

除了極速風(fēng)速模型的指數(shù)取0.11外，其他風(fēng)模型垂直風(fēng)廓線指數(shù)為0.2?？紤]到山地引起的入流風(fēng)速變化，將風(fēng)的入流傾角取為8°。塔體遇到的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)根據(jù)風(fēng)廓線指數(shù)為0.2的冪級(jí)數(shù)規(guī)律得到。

根據(jù)弦向坐標(biāo)系計(jì)算，可得葉片各截面極限載荷分布；將各截面極限載荷提取出來(lái)，可得到葉片的載荷包絡(luò)線弦向坐標(biāo)系下，x方向、y方向的力矩和z方向的拉力Mx_c、My_c和Fz_c分布，如圖1所示。

圖1　葉片載荷包絡(luò)曲線圖Fig.1　Envelope curve of blade load

2試驗(yàn)條件

葉片靜載荷試驗(yàn)就是在葉片靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)葉片施加載荷，通過(guò)安裝在葉片上的測(cè)試設(shè)備采集葉片的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)[1-3]。其目的是測(cè)試葉片承受極限載荷的能力以及葉片在承受極限載荷情況下的變形特性，從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并確定特殊狀況下整機(jī)承受的載荷大小。

2.1葉片條件

葉片采用3葉片結(jié)構(gòu)，翼型采用中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)的大厚度鈍尾緣CAS-W2-450翼型，是國(guó)際上相對(duì)厚度(45%)最大的標(biāo)準(zhǔn)翼型，具有鈍尾緣的幾何特征。葉片長(zhǎng)度為10.3 m，葉片從葉根起半徑5 m區(qū)域采用鈍尾緣設(shè)計(jì)，葉根彎矩設(shè)計(jì)最大值為125.3 kNm，設(shè)計(jì)變槳制動(dòng)力矩為8.81 kNm，設(shè)計(jì)變槳力矩最大值為122 kNm，單片葉片質(zhì)量為243 kg，葉片質(zhì)心位置距葉根為2.63 m 。葉根法蘭螺栓分布圓直徑為350 mm，螺栓旋出長(zhǎng)度為100 mm，螺栓等級(jí)為10.9。葉尖最大偏移量限制在1.7 m以內(nèi)。葉片材料使用玻璃纖維和真空灌注聚酯樹脂，制造價(jià)格比我國(guó)市場(chǎng)目前使用的環(huán)氧樹脂材料便宜一半。

2.2試驗(yàn)設(shè)備

葉片試驗(yàn)臺(tái)由中科院工程熱物理所和保定華翼風(fēng)電研發(fā)中心共同建設(shè)，高度為6 m，極限檢測(cè)葉片長(zhǎng)度為65 m。在進(jìn)行靜載荷測(cè)試時(shí)，通過(guò)14個(gè)M20螺栓與轉(zhuǎn)接法蘭連接，再通過(guò)M36螺栓將葉片固定在試驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)臺(tái)后部留有一個(gè)開口，試驗(yàn)人員可進(jìn)入葉片內(nèi)部進(jìn)行設(shè)備安裝操作。

3測(cè)試方法

為了便于試驗(yàn)，使用兩臺(tái)5 t起重機(jī)，采用兩點(diǎn)法，在半徑為4 m和8 m的兩個(gè)位置，從最大擺振、最小擺振、最大揮舞、最小揮舞4個(gè)方向加載載荷，葉片安裝角如表2所示。

表2　葉片安裝角Tab.2　Blade mounting angles

參考位置是0°，吸力面朝上。最大揮舞和最大擺振方向的葉片安裝位置如圖2所示，視圖方向?yàn)閺娜~根到葉尖。

圖2　葉片安裝位置圖Fig.2　Blade installation position

試驗(yàn)根據(jù)IEC 61400-23標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在葉片合模前，在葉片的梁帽、大梁及前后緣面板各部位共計(jì)安裝了40個(gè)應(yīng)變片，型號(hào)分別為BE120-10AA和BE120- 6CA，應(yīng)變測(cè)量采用多點(diǎn)單臂半橋接線方式。

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)葉片施加的測(cè)試載荷設(shè)定為設(shè)計(jì)極限載荷的110%。在葉片測(cè)試方向施加具有一定安全裕量的最大載荷，以測(cè)試其屈曲穩(wěn)定性、剛度及葉尖最大位移。

測(cè)試載荷由如下公式確定:

Ftest=Fdesignγ1Tγ2T

(1)

式中：Fdesign為載荷設(shè)計(jì)值；γ1T=1.1(考慮系列化以后葉片特性的分散)。

根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境溫度，取γ2T=1.0，加載因子確定為1.1。

葉片揮舞方向加載位置為葉片吸力面，擺陣方向加載位置為葉片尾緣。試驗(yàn)前須施加額外的載荷，以平衡夾具的質(zhì)量；然后預(yù)加40%測(cè)試載荷，以檢查葉片固定、試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)量系統(tǒng)。

各個(gè)方向的試驗(yàn)施加載荷的步進(jìn)值均為20%測(cè)試載荷，每個(gè)載荷等級(jí)保持10 s，將DH3815N載荷記錄儀安裝在吊車上記錄載荷，用安裝在兩個(gè)夾具間的BK-1拉繩傳感器測(cè)量葉片的扭轉(zhuǎn)，用應(yīng)變片測(cè)量葉片應(yīng)變。擺振方向測(cè)試到100%測(cè)試載荷為止，揮舞方向則持續(xù)到葉片失效(斷裂)為止，以測(cè)試葉片的失效載荷。

以上測(cè)試步驟在測(cè)量的4個(gè)方向上分別重復(fù)進(jìn)行，當(dāng)前一個(gè)方向測(cè)試完畢后，將葉片旋轉(zhuǎn)到正確角度測(cè)量另一個(gè)方向。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1加載載荷結(jié)果

圖3所示為最大擺振方向和最大揮舞方向的設(shè)計(jì)載荷、靜載荷和測(cè)試載荷數(shù)據(jù)曲線。

圖3　加載載荷曲線Fig.3　Loaded curves

從圖3可以看出，加載在葉片上的載荷沿展向逐漸減小，至葉尖初基本為0。揮舞方向所施加的載荷遠(yuǎn)大于擺振方向，擺振方向?qū)嶋H施加的靜載荷比測(cè)試載荷略大，而揮舞方向則略小。該誤差是由于兩臺(tái)起重機(jī)在各加載面的協(xié)調(diào)性誤差引起的，但整體曲線變化趨勢(shì)相同，誤差在允許范圍之內(nèi)。

4.2剛度試驗(yàn)結(jié)果與分析

葉片沿展向的剛度如圖4所示。

圖4　葉片撓度示意圖Fig.4　Deflections of the blade

從圖4可以看出，在100%測(cè)試載荷范圍之內(nèi)，擺振和揮舞方向的最大屈曲變形分別約為0.1 m和1.4 m，葉片的剛度和所受載荷近似為線性關(guān)系。該結(jié)果與簡(jiǎn)支梁理論中的剛度和載荷關(guān)系相吻合。在揮舞方向試驗(yàn)中，當(dāng)載荷從100%載荷繼續(xù)增加，沿展向的剛度曲線呈現(xiàn)出非線性特性，實(shí)測(cè)最大屈曲為2.56 m，而計(jì)算最大允許值為3 m，滿足條件。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，葉片的尾緣夾芯基本沒有發(fā)生局部屈曲，該結(jié)果證明了該翼型的尾緣結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛度。揮舞方向載荷測(cè)試在未失效加載范圍內(nèi)，葉片的抗剪切腹板有明顯應(yīng)變，說(shuō)明抗剪切腹板已經(jīng)開始受力彎曲。當(dāng)施加到220%測(cè)試載荷時(shí)，葉片發(fā)生了斷裂性失效。

5結(jié)束語(yǔ)

本文分別從最大擺振、最小擺陣、最大揮舞、最小揮舞4個(gè)方向?qū)︹g尾緣葉片施加載荷進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，葉片[4-7]具有較好的結(jié)構(gòu)性能。在100%測(cè)試載荷內(nèi)，葉片剛度和所受載荷基本

呈線性關(guān)系，而在大載荷、大撓度情況下，則呈明顯的非線性特性。該結(jié)果為大型葉片的幾何大變形設(shè)計(jì)提供了有益的參考。該葉片能夠承受220%測(cè)試載荷，說(shuō)明葉片具有較大的安全裕量。

本文所用測(cè)試方法較為成熟，沒有單獨(dú)依靠應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，而是綜合使用了多種測(cè)試設(shè)備，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也為相關(guān)行業(yè)的檢測(cè)方法提供了一定參考依據(jù)。

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中圖分類號(hào)：TH7;TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607009

ResearchontheStaticLoadExperimentsforBladesof100kWWindTurbine

Abstract：The full-size inspection of the wind turbine blades is an important means for evaluating the quality and safety of the blades,while the static load experiment of the blade is the significant basis for analyzing the structural stability of blades.The static experiments for blades of 100 kW wind turbine are conducted; the methods and conditions of the experiment are introduced in detail.By using unexpected force method,the load is exerted respectively from four directions: maximum swing vibration; minimum swing vibration; maximum brandish and minimum brandish.Based on the data measured,the performance of stiffness and strain,etc.,of the blade under load applied is analyzed; and the safety performance of the blade is evaluated through the failure test.Evaluation shows that blades has large safety margin.

Keywords:Blade of wind turbineStatic loadStiffnessStrainWind powerRenewable energySecurity

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014211A021)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者徐立軍(1978—)，男，2014年畢業(yè)于新疆大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，獲博士學(xué)位， 副教授；主要從事風(fēng)力機(jī)載荷檢測(cè)及分析方向的研究。