国内最大功率3MW叶片认证纪实

中国船级社认证公司 盛振国

国内最大功率3MW叶片认证纪实

中国船级社认证公司 盛振国

叶片是风电机组的关键部件之一,其性能好坏直接影响风电机组的风能利用效率和机组所受载荷,在很大程度上决定了机组的整体性能。叶片结构可靠性是叶片捕获风能的保证，并直接影响风电机组的运行寿命，叶片结构设计的好坏，在很大程度上决定了风电机组的可靠性和利用风能的成本。为验证叶片设计的可靠性，需要对叶片进行设计认证及型式认证，目前认证工作主要参考的标准有IEC国际标准、GB国家标准、中国船级社CCS规范，认证工作遵循的原则为“风力发电机组风轮叶片专用规则”。2008年底到2009上半年，中国船级社认证公司（CCSC）对国内功率最大叶片——上海玻璃钢研究院3MW叶片进行了认证。经过双方近半年的努力，最终上玻院获得中国船级社颁发的3MW叶片设计认证、型式认证证书。

认证背景

中国船级社认证公司是中国船级社承担体系认证、产品认证和工业产品检验、集装箱检验等业务的专业机构，也是国内最早成立的认证机构之一，其认证资质经中国国家认证认可监督委员会（CNCA）批准，中国合格评定国家认可委员会（CNAS）和英国皇家认可委员会(UKAS)认可。

上海玻璃钢研究院是专业从事玻璃钢科研、开发、服务、贸易为一体的高科技型产业实体，其主营业务为玻璃钢雷达罩、玻璃钢耐高温绝缘材料、飞机、舰艇、导弹及常规武器装备用玻璃钢、玻璃钢风力发电机叶片，其产品广泛应用于国防、航空航天、信息通讯、能源电力、石油化工、交通运输、建筑环保和轻工冶金等多个领域。

两公司的第一次合作需追溯到2007年，双方签署的第一个风电产品认证合同，SYP37.5叶片设计认证、型式认证，经过双方工程师半年多的努力，认证工作结束，2008年1月份颁发设计认证、型式认证证书，同时签署了自 主 研 发 的1MW、1.5MW、2MW、3MW叶 片 认 证 合 同，开始了国内最大的自主研发的3MW叶片认证工作。

3MW叶片基本参数：长度48.3米，最大弦长4米，重量约13吨，重心约15米，适用于IEC-2A类风区。该叶片于2008年底完成设计。

认证要求

叶片认证的依据为中国船级社《风力发电机组规范》（2008）、“风力发电机组风轮叶片专用规则”。项目组依据规范及规则中，对认证资料的要求，首先将资料清单发给上玻院。上玻院根据我方要求，整理出了认证资料清单，主要包括：风轮叶片设计资料(技术规格书、使用维护说明书等产品手册)、图纸（叶片总图、叶片外形图、叶片结构零件图、叶片根部连接结构图等）、结构设计资料（含选材性能参数）、气动性能计算资料（利用系数CP、扭矩系数CQ、推力系数CT、典型功率曲线及相应控制参数曲线等）、型式试验大纲（随件试验大纲、固有振频振型试验大纲、刚度、静强度试验大纲、疲劳试验大纲等）、工艺文件等。

在资料提交完整后，对资料进行初步审核，在审核中，遇到了叶片功率曲线在额定点后一段波动较大，根据以往经验，项目组断定该种情况是由于载荷计算时，控制参数设置不准导致了曲线失真，经过重现设置后，该曲线广顺（见图1、2）。上玻院对项目组提出的处理办法十分认可，并建议项目组在认证过程中，对于控制部分，随时交流。

设计认证

该部分工作，主要根据上玻院提供的资料，建立载荷模型、结构模型，再进行相关复核计算。载荷计算，主要用专业载荷软件GH.Bladed进行计算，同时利用Excel软件对数据进行统计，并提供给结构计算。结构计算部分，主要利用MSC.Patran建立有限元模型，再用Laminate模块进行铺层，将载荷计算结果导入到模型中，利用MSC.Nastran进行求解计算，得出叶片受力结果。

在载荷计算时，上玻院设计叶片是依据国际标准设计的，而认证需要用船级社规范进行复核计算，两种标准，对某些风况的定义，存在一些差别，双方协商后，建议将两种标准差别的地方列出，分别补充计算，然后进行对比。通过对比计算，项目组与上玻院工程师交流后，总结出某些工况实际利用的风模型是一致的，没必要重新计算，为接下来的工作节省了时间。

在结构计算中，项目组利用上玻院给出的叶片外形图及坐标值，导入到Patran软件中，生成叶片外形，再进行有限元网格划分，得到整个叶片有限元模型，利用Laminate模块，对模型进行铺层，得到整个叶片有属性模型，根据叶片重量、重心、频率对模型进行调整，得到最终使模型能真正模拟叶片。在调整叶片的重量、重心、频率时，摆阵频率很难达到设计频率，立即与上玻院进行交流，最后得知为了“保密”，铺层图中叶片后缘UD没有给出，影响了摆阵频率。将后缘UD建到模型中后，模型各项参数与实际叶片设计很接近，随后便将载荷结果加载到模型上，进行强度计算，得出整个叶片的受力结果。

计算结果满足规范中对叶片刚度（变形）的要求，叶尖与塔筒之间，在极限载荷作用下，仍有1/3距离的净空。叶片强度（应变）满足所选用材料的各项性能。整理案卷后，设计认证工作全部结束（叶片模型及加载见图3、4）。

型式认证

根据规则要求，叶片结束设计认证后，便可以开始型式认证工作。型式认证中要求的试验项目为：随件试验、固有频率试验、刚度试验、静强度试验、根部螺栓连接强度试验等。项目组首先要求上玻院提供以上试验的试验大纲，然后根据设计要求，对试验大纲进行审核，对存在的问题，及时交流，最终达成共识，按照试验大纲要求，进行试验。

在审核固有频率试验大纲时，大纲采用集中激励法测试叶片固有频率，根据我方经验，如此大的叶片，建议增加测试手段，将阵型法，也写入试验大纲，并在试验中与激励法同时测量。上玻院采纳了我方建议，在频率测试试验中，由于叶片太大，激励法很久才将整个叶片频率测出，而阵型法，很短的时间内，就将叶片整体模态变化过程记录下来。增加此种阵型法，受到上玻院的肯定，同时也对我们见证以后的大尺寸叶片频率试验，积累了经验。

型式试验的另一个目的便是验证叶片的设计，而刚度试验、静强度试验是最直接的。国内叶片厂，通常会选用吊车上拉式来进行静强度试验，并利用“扁担”进行加载（见图5、6）。对于此种加载方式，我们建议取消最上面扁担，而只采用上面的两个扁担，尽量使各加载点之间距离相等，并保证加载的各段弯矩，在一个数量级上，防止在加载点处产生较大剪力，对叶片造成破坏。经过具体计算，我们发现刚度强度试验大纲中，叶片中间两个加载点之间弯矩相差较大，我方建议将中间两个点的弯矩分摊到最前和最后两个点上，这样保证整个叶片受力均匀，但上玻院坚持用原有载荷加载分布进行试验，我方为说服上玻院，利用结构模型，对叶片按原大纲加载数据进行模拟，通过应力云图，可以看出在中间两个加载点处应力较大，超出玻璃纤维承受极限。由于选取哪种加载方式，都满足大纲要求，最后经过双方协商，选用两套试验大纲进行试验，首先先利用原试验大纲，加载到80%载荷，看叶片是否有异常，如果有问题，换成新大纲再进行试验。

2009年3月26日，在刚度强度试验试验当天，当用原大纲载荷加载到70%时，叶片内部有剧烈响声，夹具位置发生轻微滑移，鉴于该种情况，双方共同决定终止原大纲试验，并在次日，按新大纲要求进行刚度强度试验，试验的四个加载方向，再接下来的三天里，任务很顺利地完成了，并且实验结果与设计值能很好的吻合。在实验的最后一天，当最后一个实验工况加载结束后，上玻院总工陈余岳对我方提出的加载载荷表示肯定，并称赞船级社验船师经验丰富，责任心强，最后十分感谢我们的建议及一直对上玻院的支持。

按照随件试验大纲、根部螺栓连接强度试验大纲，完成该两项试验后，标志着型式试验工作全部结束。将实验报告进行审核，发现资料完整，并且实验数据满足规范要求，全部型式试验都按大纲要求完成，在完成案卷整理后，型式认证工作全部结束。

在近半年的工作中，双方技术人员遇到了各种各样的困难，经过共同努力，都迎刃而解，最终上玻院获得中国船级社颁发的3MW叶片设计认证、型式认证证书。就此，国内最大功率叶片认证工作圆满结束。