風電場風力發電機組葉片失效斷裂分析

惠鵬++郭永剛++鞠偉

摘 要：風力發電系統大多都布置在環境惡劣的條件下，通過將自然風產生的動能轉化為電能進行工作。由于自然風具有強烈的隨機性，常常發生風速、風向劇變的情況，因此要求風電場中的風力發電機必須能夠承受較大的載荷。而隨著風力發電規模和技術的不斷發展，風機葉片變得越來越大，這無形中增加了葉片損壞的概率。本文通過對機組葉片的結構和受力情況進行介紹，對風電場風力發電機組葉片的斷裂監測和預防進行了分析。

關鍵詞：風電機組 葉片斷裂 結構 受力 監測

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0080-02

隨著經濟和社會的不斷發展，能源問題成為制約人類發展的關鍵問題。石化資源由于其污染性、不可再生性等特點已經無法滿足社會發展的需求。這種情況下，風能成為一種重要的綠色替代能源，并因此受到了更多的研究和關注。通過風力發電機組將風產生的動能轉化為電能，不僅有效降低了污染廢料的排放，還改善了電力結構。隨著裝機容量的快速增加，風力發電設備和技術的發展非常迅速。其中，葉片是風電場風力發電機組的重要組成部件，直接影響到發電機的性能、效率、質量和經濟效益。葉片會隨著機組容量的增大而快速增加，越大的風機葉片會無形中增加葉片損壞的概率。而且在風機的運行過程中會使葉片受到惡劣自然環境的影響，使葉片出現共振現象。葉片共振是風力發電機組葉片失效斷裂的重要原因之一。本文通過對機組葉片的結構和受力情況進行介紹，對風電場風力發電機組葉片的斷裂監測和預防進行了分析。

1 機組葉片的基本結構和特性

1.1 材料

由于風力發電機組都是布置在環境惡劣的條件下，因此，風力發電機的葉片材料選擇要十分慎重，要綜合考慮葉片的重量、強度和化學性能，這樣才能有效降低葉片的斷裂概率。選擇的材料應具有較大的強度和比模量、良好的減震性和破損安全性，以及耐疲勞性。

1.2 結構

在設計過程中，常見的葉片材料結構主要包括層壓板、夾層和編織三種結構。其中，層壓板結構是指將纖維增強材料按順序鋪設到基體中，是當前應用最多的一種葉片材料結構，其主要材料性能由纖維和基體的性質決定；夾層結構是指兩層層壓板薄蒙皮與其間的夾芯構成，這種結構的比剛度良好，隔音、隔熱、減震、抗疲勞，且結構簡單；編織結構指將增強材料編織在面內和厚度方向上的結構，具有強度高、重量輕和較高的抗沖擊能力。每種材料結構都有其側重的特點，在風電場設計過程中要根據實際的情況進行選擇。

1.3 力學特性

葉片材料的力學特性通常從宏觀和微觀兩個方面進行分析。宏觀方面，只對材料的各項平均性能進行考慮，而不討論各個成分間的作用；微觀方面則從微觀的角度對材料各個成分間的影響進行分析。微觀分析應該從材料整體構成中提取能夠代表材料性能的基本單元，進而對各個組分的力學性質、成分含量和形態進行考慮，以期獲取更有價值的分析結果。

2 風電場風力發電機組葉片失效斷裂分析

2.1 葉片斷裂種類

風力發電通過風力發電機組將風產生的動能轉化為電能，其原理是讓風吹動發電機組葉片的旋轉，然后經過增速機提升葉片的轉速，進而帶動發電機組產生電力。風力發電系統大多都布置在環境惡劣的條件下，通過將自然風產生的動能轉化為電能進行工作。由于自然風具有強烈的隨機性，常常發生風速、風向劇變的情況，因此要求風電場中的風力發電機必須能夠承受較大的載荷。而隨著風力發電規模和技術的不斷發展，風機葉片變得越來越大，這無形中增加了葉片損壞的概率。常見的葉片失效斷裂故障包括：

（1）梁帽強度不達標造成的葉片斷裂。

（2）因前、后緣粘接強度較弱造成的葉片開裂情況。

（3）葉片尖部強度較弱造成的接閃器和尖部的脫落。

（4）對剪腹板產生壓力后出現的斷裂情況。

（5）部件連接不合理造成的螺栓磨損或扭斷等情況。

上述問題都是葉片運行過程中容易出現的故障，隨著故障的積累，很容易出現葉片失效斷裂的情況，因此需要對葉片的損傷機理進行研究，通過發電機組的葉片受損程度來監控葉片的運行情況。

2.2 葉片斷裂監測

因為常見的風力發電機組都比較龐大，而且還處于比較偏遠的地區，使得對機組設備的維護非常困難。所以，應該采用合適的方式對葉片的運行狀態進行監測，對葉片的失效和斷裂情況進行防范。其中，遠程在線監測是目前最常用的技術，它不僅提高了風電機組的運行時間，還有效降低了系統的維護成本。

依據以往的經驗可以發現，葉片材料在出現整體失效前都會出現一定的斷裂、結構脫膠和分層破壞等情況，這些情況通常不會影響葉片的正常使用，但是隨著損傷的積累，就會對葉片造成嚴重的損壞，最終導致整個葉片的失效。因此，在葉片失效前及時發現這些問題，對風電機組的維護和安全運行具有重要的意義。

遠程在線監測是通過在風力發電機組的各個部位安裝傳感器，采集設備產生的信號，然后由計算機進行分析并對風力發電機的葉片狀態進行判斷，從而及時發現異常，有效保障風力發電機組的穩定運行。傳感器在進行調試的過程中，要選擇合適的位置，使其能夠采集到有效的、具有代表性的信號，從而更好地反映風力發電機組的狀態。信號采集到以后，要通過計算機對數據進行處理，并建立有效的模式識別數據庫，通過數據的對比分析來判斷風力發電機的運行情況。風力發電機組葉片信息的監測流程如圖1所示。

最近幾年來，國內外在聲發射監測技術上進行了大量的研究，這是一種無損的動態監測技術，能夠根據材料受到負荷時產生的應力反射來對材料的實際損傷情況進行判斷。隨著葉片材料的不斷損壞，葉片結構受力會出現很多聲發射信號，這使得計算機系統能夠接收到信號并對信號的類型進行分析。在這些信號波形中會隱含大量的和發射源的基本特性相關的特征數據，計算機能夠對這些數據進行有效處理和分析，從而對葉片材料的損壞位置、持續時間、破壞程度和趨勢進行判斷，并進一步得到葉片損傷位置的受力情況，為后期風力發電機組的維護和穩定運行提供可靠的分析依據。

3 結語

葉片是風電場風力發電機組的重要組成部件，直接影響到發電機的性能、效率、質量和經濟效益。在風機的運行過程中會使葉片受到惡劣自然環境的影響，而且葉片會隨著機組容量的增大而快速增加，越大的風機葉片會無形中增加葉片損壞的概率。因此，在葉片設計過程中要根據實際的情況和葉片的受力條件選擇合適的材料和設計結構，并通過斷裂監測等手段對葉片的失效斷裂行為進行防范。

參考文獻

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