風機葉片缺陷的紅外檢測數值模擬

張 爽，王湘明，鄭 浩，仲奇奇

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110000）

葉片是風力發電機的關鍵部件，在風場的實際運行中承載著不斷變化的風載荷[1]。風機葉片長期服役在這種情況下，會使葉片疲勞載荷運行，葉片容易出現分層、脫粘、夾雜、缺膠、氣泡、褶皺、裂紋、干紗等缺陷。因此，風機葉片要定期進行檢測，以免風電機組安全運行受到嚴重威脅。由于極小的葉片缺陷不易被發現，這就對后期的維修造成極大困難，因此采用無損檢測技術對風機葉片缺陷進行檢測。當前，國家標準GB/T 37431—2019《風力發電機組風輪葉片紅外熱像檢測指南》中介紹了葉片常見的缺陷類型和位置等信息，以及缺陷的模擬和對比的要求。紅外無損檢測技術具有檢測成本低、適用范圍廣、檢測結果可信度高、操作簡單安全、檢測結果直觀可見等優勢，非常適合用于對風機葉片缺陷檢測，成為繼五大常規無損檢測技術之后發展最快、潛能最大的無損檢測新方法[2-3]。故采用紅外無損檢測技術對風機葉片缺陷進行模擬分析，為葉片結構檢測提供可靠依據。

1.模型建立與模擬過程

1.1 模型建立

以玻璃纖維復合材料[4-6]的風機葉片作為研究對象，其葉片缺陷設置為嵌入缺陷形式，膠衣、黏膠、玻璃纖維增強材料和玻璃纖維強度材料為缺陷材料[7-9]，模型缺陷是人為制造缺陷，缺陷形狀為長方形。由于風機葉片結構復雜，故采用葉片微元模型進行建模，有利于對風機葉片細微缺陷檢測問題的研究。該風機葉片微元模型的幾何尺寸為13mm×13mm×13mm，模型如圖1 所示，風機葉片的鋪層順序如圖2 所示[10-11]，各鋪層順序材料熱物性參數如表1 所示[12]。

圖1 風機葉片微元模型

表1 鋪層材料熱物理性質

1.2 模擬過程

采用熱通量為熱載荷，將恒定的熱通量加載到檢測面。加熱方式為脈沖加熱，持續加熱時間為20s。由于風機葉片結構復雜，故將模型的最外層表面設置為與空氣接觸[13]。模擬工況是在理想環境下進行，物體的初始溫度為20℃[14]，外界空氣環境對流換熱系數為15W/mm2·℃。

圖2 葉片鋪層順序材料

設置完畢后，分別取：當熱通量、單層缺陷寬度不變時，環境溫度變化；當環境溫度、單層缺陷寬度不變時，熱通量變化；當環境溫度、熱通量、單層缺陷寬度不變時，單層缺陷變化3 種情況進行模擬。提取分析結果中缺陷處與非缺陷處對應表面溫度進行分析，對比不同情況下熱像溫度差影響。

2.模擬結果與分析

2.1 環境溫度對熱像溫度差的影響

設定單層缺陷是膠衣層缺陷，缺陷寬度為L = 5 mm，熱通量為5.0×105W/m2，環境溫度分別為-40℃、-10℃、0℃、20℃、50℃進行模擬。模擬分析結果如圖3、圖4 所示。

圖3 環境溫度對熱像溫度差的影響

圖4 環境溫度不同時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖3、圖4 可知，隨著環境溫度的升高，熱像溫度差峰值也隨之減小。熱像溫度差峰值出現的時間也稍有延遲。環境溫度不同時，熱像溫度差曲線逐漸都會趨于平緩。

2.2 熱通量對熱像溫度差的影響

設定單層缺陷是膠衣層缺陷，缺陷寬度為L = 5 mm，環境溫度為20℃，熱通量分別為1.0×105W/m2、2.0×105W/m2、3.0×105W/m2、4.0×105W/m2、5.0×105W/m2進行模擬。模擬分析結果如圖5、圖6 所示。

圖5 熱通量對熱像溫度差的影響

圖6 熱通量不同時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖5、圖6 可知，隨著熱通量的增大，熱像溫度差峰值也隨之增大。熱像溫度差峰值出現的時間相同。在較短的時間內，不同熱通量的熱像溫度差值沒有明顯變化、熱像溫度差曲線沒有區別。

2.3 單層缺陷對熱像溫度差的影響

設定單層缺陷寬度都為L = 5 mm，環境溫度為20℃，熱通量為5.0×105W/m2，單層缺陷分別是膠衣層缺陷、玻璃纖維增強層缺陷、黏膠層缺陷進行模擬。模擬分析結果如圖7、圖8所示。

圖7 單層缺陷對熱像溫度差的影響

圖8 不同單層缺陷時熱像溫度差峰值趨勢圖

由圖7、圖8 可知，膠衣層缺陷、玻璃纖維增強層缺陷和黏膠層缺陷的熱像溫度差峰值是依次減小，膠衣層缺陷的熱像溫度差峰值最大，這說明相較于玻璃纖維增強層缺陷和黏膠層缺陷，膠衣層缺陷容易檢測出來。熱像溫度差峰值逐漸趨于恒定值。

3.結語

根據有限元的方法對含有缺陷的風機葉片進行紅外模擬分析。通過對不同環境溫度、熱通量、單層缺陷的風機葉片缺陷紅外模擬分析，得出以下結論：隨著環境溫度的升高，熱像溫度差峰值與環境溫度呈反比關系，這說明溫度越低葉片缺陷越容易檢測出來。并且熱像溫度差峰值出現的時間稍有延遲，說明環境溫度越高，最適合的檢測時間越長，理論上檢測的反應速度越慢。隨著熱通量的增大，熱像溫度差峰值也隨之增大，這說明葉片缺陷是容易被檢測出來的。在較短的時間內，熱像溫度差值基本沒有變化，說明加熱時間越長，熱通量對熱像溫度差值越大，葉片缺陷就越容易被檢測出來。在缺陷寬度相同時，膠衣層缺陷的熱像溫度差峰值最大，玻璃纖維增強層和黏膠層缺陷依次減小，這說明膠衣層缺陷是容易被檢測出來的。并且同時也說明風機葉片最外層與空氣接觸，缺陷容易被檢測出來。不同單層缺陷熱像溫度差峰值曲線逐漸趨于平緩。