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关于风力机叶片全面测试的综述
H.F. Zhou, H.Y. Dou , L.Z. Qin , Y. Chen , Y.Q. Ni , J.M. Ko
(文章信息:2013.8.14收到 2013.11.21收到修订版 2014.1.31接收 2014.2.25发表)
关键词:风力发电机叶片;结构测试;摄影测量;数字图像相关;结构健康监测;状态监测
摘 要
叶片是风力发电机系统最重要的组成部分,在收集风能的过程中起着至关重要的作用。同时,叶片也是整个系统中最容易损坏的部分。结构健康检测系统用于持续对风力叶片进行监测。然而,目前还没有系统发展到能与商业风力发电机部件兼容的阶段。因此,全面结构性测试是目前能够证实风力发电机叶片综合工作状态最主要的方法。目前全面结构性测试通常作为叶片性能检测过程中的一个环节。目前这项测试通常用于叶片检测过程的一部分。因此,全面结构性测试为结构健康监测的运用和无损测试技术提供了独特的机会。在充分认识到该测试带来的实用性意义后,本文旨在对风力发电机叶片的全面结构性检测进行更加深入的分析与评述,其中包括静态测试和负载测试。尤其是中国的现状,将在本文中详细展现。本文的关注点一是在风力发电机叶片的故障机制,而故障机制无论是对于叶片本身设计的优化还是其结构健康监测系统的设计都是至关重要的。本文的另一关注点是在各种结构健康监测系统和非毁灭性测试的优缺点,这对于评估系统在测试风力发电机叶片的能力方面是十分有效的。此外,近期摄影测量法和数字图像相关性技术的进步为叶片的运行监测提供了新的机遇。这些新技术目前在一些风力发电机叶片应用中得到了运用,并且提供了大量之前无法获取的深层次的信息。本文也将对这些成果进行总结与概括,目的在于发掘这些技术的利弊。
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1 介绍
风能作为一种可再生绿色能源,已经成为许多国家的能源系统的一大支柱并且被认作电能的一种可靠并且经济的来源。在过去的十年里,这一数据以每年30%的增速增长。同时,风力发电机组容量也以每三年增长一倍的速度增长。在2012年已有100多个国家证实正在使用风力发电。总体来说,世界风力发电容量已达282275MW。甚至在全球层面,风能发电对于能源供应作出的贡献都占有极大的一部分:至2011年底,全球安装的所有风力发电机组已经为全球能源供应提供了580太瓦的能量,大于全球电能需求总量的3%。不仅如此,尽管在2012年其增速降低至19.1%,达到了20年来的最低水平,但未来风力发电将会迎来大量实质性的增长。据估计,至2016年全球总装机容量将达到500000MW,至2020年达到将近1000000MW都是可能实现的。
而另一方面,风力发电的发展不可能是一帆风顺的。风力发电机将风能转化为机械能,进而转化为电能,通常运行在十分严峻的环境中。因此,其损坏的原因可能有负载过重或者疲劳作用、雷电、火灾、强风、大雾等自然因素。报导显示,风力发电机组事故时有发生。凯思内斯郡风电场信息论坛就风力发电机事故提供的大量文件显示了1970年代起记录的风力发电机事故的数据。至2013年9月30日,全球已报告发生了1446起事故。在此趋势下,随着越来越多的风力发电机组的装配,越来越多的事故也即将发生。这些树事故中包括:从1993年到1997年平均每年8起事故;从1998年到2002平均每年33起事故;从2003年到2007年平均每年80起事故;从2008年至2012年平均每年141起事故。最危险的一次事故是狂风事故,事故发生时制动系统损坏致使风轮以高速撞击风塔。这就对从叶片的部分到整个发动机短舱(与风轮相连)造成了巨大的损坏,发动机短舱甚至从风塔建筑中飞落。在一些典型案例中,叶片以及许多其他部件甚至落在500米之外。例如2006年8月中旬,时速高达67米的台风桑美席卷中国东部沿海城市温州,并对位于该地的鹤顶山风力发电站造成了巨大的破坏。叶片破坏最为严重。15台维斯塔斯公司生产的容量为600kW的发电机以及两台德文生产的容量为600kW的发电单元不是破损就是裂成三块,一台维斯塔斯容量为660kW的发电机以及两台运达容量为750kW的机器倾塌。在装有的28台风力发电机中,仅有8台勉强保存下来。
尽管损坏可以发生在任何组件或风力涡轮机的任何部分,叶片故障是一个显著的结构故障并且是风力涡轮机系统中最常见的损伤。根据凯斯内斯风电场信息论坛提供的事故统计数据,迄今为止发现的最大事故是由叶片故障引起的:共发现265起独立事故。研究还表明,叶片损伤是最昂贵的损伤类型,需要相当长的修复时间。此外,如果不及时修复,由于叶片损伤引起的旋转质量不平衡会对整个风力机系统造成严重的二次损伤,从而导致整个塔的倒塌。一个失败的叶片可能会损坏其他叶片、塔、风力涡轮机本身,也可能会损坏风电场中的其他涡轮机。最后但并非最不重要的是,叶片通常被认为是风力涡轮机系统最关键的组成部分。叶片的成本可以占到整个风力涡轮机系统的15-20%。因此,风力涡轮机叶片应给予最大的关注。
为了使风力发电机保持运转,针对它的结构性健康监测投入日常实践变得更加迫切。数据表明,结构健康监测技术最成功的应用在于对旋转电机的状态监测。目前,状态监测系统已经成为一个完整的风力发电机系统必不可少的部分。然而,风力发电机叶片的结构性健康监测仍然在发展。
目前,全面的结构试验是验证风力机叶片综合性能的主要手段。现在它通常用作刀片服务器认证过程的一部分。它还允许深入了解风力涡轮机叶片的失效机制,这对SHM的成功至关重要。此外,它还提供了在实验室环境中使用SHM和无损检测(NDT)技术的独特机会。大型SHM和NDT技术在风力涡轮机叶片上的适用性可以在全面的结构测试中进行测试。认识到这些意义,在世界范围内对风力涡轮机叶片进行了全面的结构试验。人们提出了各种各样的测试程序、方法和技术,这通常导致测试结果的多样性。因此,有必要对这些工作进行回顾,以帮助读者全面了解风力涡轮机叶片的全面结构测试。据作者所知,这方面的评论尚未见报道。因此,本文旨在对风力涡轮机叶片的全尺寸结构试验进行广泛的回顾。该综述为不同的测试步骤、方法、技术和结果提供了参考数据库,有助于读者加深对风机叶片全尺寸结构测试的理解。具体来说,通过收集风力机叶片的失效机理,可以对大型风力机叶片进行优化设计,指导大型风力机叶片SHM系统的设计。各种SHM和NDT技术的优缺点可以用来评估它们在风力涡轮机叶片上的适用性。一个新的测量技术的集体报告可以帮助发现他们的优点和缺点,以及识别有前途的在役风力涡轮机SHM技术。
2 全面结构性检测
根据IEC 61400-23指标[9],风力涡轮机叶片测试的根本目的是演示合理估计,当根据特定的规范生产时,该叶片类型参照特定的限制,有达到规定的可靠性,或者更准确地说,用以验证的极限状态没有达到,据此进行叶片强度和使用寿命的设计。此外,还必须证明,在设计的使用寿命内,叶片能够承受极限载荷和预期的疲劳载荷。一般来说,叶片试验方法主要分为两大类:静态试验和动态试验。在静态试验中,载荷分别作用于叶片上,通常是沿襟翼方向和前导滞后方向。在疲劳试验中,加载谱包含数百万个加载周期。单轴测试在襟翼方向和超前滞后方向通常是顺序执行。双轴测试是另一种方法,其中扑动载荷和超前滞后载荷同时施加。Malhotraet等人对公用事业级风力涡轮机叶片测试系统进行了很好的综述。测试负载可以是基于负载的,也可以是基于强度的。负荷试验的目的是为了表明叶片能够承受预期的负荷而不发生故障。这种类型的测试通常用作刀片服务器认证过程的一部分。基于强度的试验以叶片的初始强度数据为基础,对叶片进行失效试验[10]。这可以直接验证叶片的强度和破坏机制,并评估如何改进设计计算和由此产生的设计本身。该方法可用于寻找较宽区域内相对于预期强度的最低强度位置。
2.1 静态测试
风力涡轮叶片的实验室测试直到90年代才被普遍使用。1996年,欧盟委员会在标准、测量和测试项目范围内启动了欧洲风力涡轮机测试程序开发(EWTTPD)项目,以支持叶片测试实验室协调其测试方法,使其更接近一套叶片测试程序的标准[11]。三个欧盟成员国和美国参与这个项目,由五个实验室主导。这五个实验室分别是:丹麦的RISOslash;可持续能源国家实验室(RISOslash;),希腊的可再生能源中心,荷兰的代尔夫特科技大学的实验室,荷兰的荷兰能源研究中心(ECN),和美国的国家可再生能源实验室(NREL)。其主要目的是为不同实验室使用的风机叶片静疲劳试验方法、试验技术和试验结果建立参考数据库;增进对叶片试验技术挑战的集体理解,使国际实验室使用的方法趋于一致。通过这个项目,不同实验室的成果可以被分享和广泛接受。
EWTTPD项目实验室首先选择一个具有良好设计记录的商业刀片模型,并将其发布给参与的实验室。试验选用NedWind 25型叶片,叶片长12米,采用玻璃纤维增强聚酯材料。为确定叶片性能,各实验室均规定了通用静态试验。强制测试荷载取极限设计荷载的75%。对于襟翼加载和侧翼加载,加载应用点均位于7.65 m的横向位置。此外,还确定了常用应变仪的位置,同时对实验室进行了定位,可以随意添加其他测量位置。静态试验结果表明,各实验室间存在合理的一致性。在此,以NREL进行的静态试验为例。NREL在极限设计荷载的75%和110%下预制了静态试验,用于应变验证。每片叶片采用36次应变测量和2座弯曲桥。在所有荷载作用下,应变均呈线性,表明静载试验未达到结构破坏或屈曲稳定极限。
全面静态测试的基本目的是检验新的叶片设计。在这方面,已经进行了大量的全面静态测试。然而由于这些作品的所有权和商业机密的保护,只有少数测试是公开的。桑迪亚国家实验室(SNL)启动了一项研究项目,演示碳纤维在亚尺度叶片中的应用。在这一努力下,三个9米长的设计被创造出来。第一个叶片组被称为CX-100(碳实验),包含一个全长碳棒帽,在当时是一个相对新的概念。第二个叶片设计,TX-100(扭转弯曲实验),具有相同的几何形状,与CX-100,但具有显著不同的层压板设计。叶片的设计是通过将单向的碳201从大约3.50米外定向到叶片表面的螺距轴外,从而实现被动气动减载。最后的叶片设计名为BSDS(叶片系统设计研究),展示了一个高效的结构,包括细根、粗根等特征;集成根钉;和一个恒定厚度的碳棒帽。每个设计的叶片进行了静态结构测试,但是得到了失败的测试结果。测试中使用了一系列传感器来监测应变、挠度、载荷和声发射(AE)。声发射监测系统不仅能检测出损伤发生的位置,还能检测出叶片的早期全局失效。CX-100叶片显示出非凡的刚度。叶片失败的面板屈曲附近的上弦,这可能是由分离之间的剪切腹板和低压皮肤在该地区。TX-100叶片成功地演示了201轴外表面碳造成的扭曲-弯曲耦合。但在类似的位置TX-100叶片在一个略低于CX-100叶片的负载失败。与CX-100和TX-100的设计相比,BSDS的叶片显示出了非凡的强度,几乎可以承受三倍于目标测试负载。平板后翼型特征表现良好,直到达到目标测试负载后才表现出非线性行为。粘结接头的低压蒙皮与剪切腹板之间产生了较大的裂缝。
Kong等人提出了一种为750 kW级水平出租车风力涡轮机系统开发E-glass/环氧树脂中型风力涡轮机叶片的结构设计方案。制造了样机叶片,在模拟气动载荷下进行了全尺寸静结构试验。实验结果表明,所设计的叶片结构完整。预测的质量、展向重心、叶尖偏转和第一振摆固有频率与实测值吻合较好,误差为4%。实测应变结果与分析结果吻合较好。
全面静态测试的另一个目的是深入了解风力涡轮机叶片的失效机制。为此,报告了几次全面的静态测试失败。从2001年到2002年,Risoslash;开展一个项目叫做“提高大型风力涡轮叶片的设计,基于研究的缩放效果(第一阶段)”[15-17]。具体目的是研究规模效应,特别是叶片风力涡轮叶片的失效模式进行分类测试失败,提高理解失败的组合结构抗压载荷作用下,实验表征和建模和开发方法混合模式下的胶粘剂关节(从纯皮到纯剪切)加载。试验使用的叶片为25m环氧玻璃纤维叶片。在叶片上使用不同的支座进行了叶片完全失效的三种不同试验。在试验过程中,利用多个传感器对叶片的结构行为进行了监测。表1总结了研究中发现的损害。他们被分为七类。局部挠度是描述叶片状态的一个很好的量,即:叶片离失效(法兰和腹板屈曲)有多近。然而,整体偏转对局部发生的损伤并不十分敏感。应变片的测量也通过显示非线性行为很好地表明叶片离故障有多近。此外,AE监测的实际好处体现在三个测试中,包括识别负载轭上的意外损坏,识别使停止测试和调查损坏成为可能的损坏,以及识别离故障有多近。
表1 损坏类型
损坏类别 |
损坏现象 |
类别一 |
连接表面和主梁法兰的粘合层损伤出现以及恶化(表面/粘合层剥离和/或主梁/粘合层剥离) |
类别二 |
沿着前缘和/或后缘,连接上下风向表面的粘合层的损坏形成和恶化 (表面粘接失败) |
类别三 |
蒙皮夹层板与主梁腹板表面以及芯板界面的损伤的形成与恶化(夹层板表面/芯板脱粘) |
类别四 |
在拉伸或压缩载荷(由张力或屈曲载荷驱动的分层)作用下,表层和/或主梁法兰层合板的内部损伤形成和恶化 |
类别五 |
皮肤层状和主晶石层状分离纤维的分裂和 剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料 资料编号:[445618],资料为PDF文档或Word文档,PDF文档可免费转换为Word |
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