风电机组叶片的典型缺陷﹡

文 | 刘双，胡斌，黄军威

风能是绿色可再生能源，发展风电对于缓解我国的能源需求压力具有重要意义，也是实施国家把可再生能源作为可替代能源战略发展的必由之路。本文以文献调研的形式对风电机组叶片的典型缺陷进行了归纳，可为后续的实验研究及数值模拟等科研工作提供理论支撑。

风电机组叶片缺陷的产生原因

从制造到运行过程中，每个阶段风电机组叶片都会出现不同类型的缺陷和不同程度的损伤，可以总结为以下几个方面。

一、老化

叶片老化的类型主要有湿热老化、化学介质老化、紫外老化、物理磨蚀老化、盐雾腐蚀老化等五种。

（一）湿热老化：主要包括基体老化、纤维老化、界面老化。产生的原因主要是叶片长期暴露于外面，受恶劣的工作环境的影响。

（二）化学介质老化：主要体现在对树脂基体、增强纤维和它们的界面侵蚀破坏，进而对树脂基复合材料性能的影响。化学介质除向叶片复合材料内部渗透、扩散、使基体溶胀外，还会引发树脂主价键破坏、降解、裂解等老化现象。

（三）紫外老化：叶片中的所有纤维，都是靠表面树脂和涂层的遮蔽作用来阻挡紫外线。因此，树脂基体的情况决定着增强纤维对紫外辐射的响应。在强烈的紫外线作用下，树脂类材料会产生交联、降解、变色等老化现象。

（四）物理磨蚀老化：风电机组叶片所处的环境中存在大量盐粒及沙粒等各种固体微粒。因此，在风电机组长期运行过程中，会产生不同程度的磨蚀，严重时会形成凹坑，随着时间的增长，可能穿透叶片。

（五）盐雾腐蚀老化：浓烈盐雾与空气中的其他颗粒物在叶片静电的作用下，会在叶片表面形成覆盖层，严重影响叶片气动性能，产生噪音污染并影响美观。

二、叶片损坏形式

叶片损坏主要有以下形式：断裂失效、开裂失效、雷击造成的损伤、局部表面磨蚀、局部表面裂纹、运输和吊装造成的损伤、运行维护不当造成的损伤等。

（一）断裂失效：多发生在叶片根部、中部，呈折断形式。导致断裂失效的原因有四个方面：（1）设计缺陷。设计时安全冗余系数选择过低，叶片根部及叶片中部断面积过小，断面形状不符合强度、刚度要求；叶片实际运行载荷超出设计时的预测极限，过负荷导致叶片毁损；另外，进行极限设计时，风电机组各部件与叶片的空间间距等冗余量设计过小。（2）叶片材料质量不符合要求。生产厂家使用不合格的胶衣、树脂或纤维材料，这些材料均质性差，容易出现局部软肋，导致叶片突然失效。（3）生产工艺不够成熟。目前国内高质量复合材料风电机组叶片多采用从国外引进的的聚胺脂反应注射成型、树脂传递模塑、缠绕及预浸料/热压工艺进行制造。（4）生产商经验不足。叶片制造中涉及的上百种主辅材料、工具、工装、模具与设备，缺少品质鉴定能力，生产工艺过程控制不到位，后期工序检测检验趋于形式化，无法保障叶片质量。

（二）开裂失效：多发生在叶尖、叶片中部前缘处，呈纵向分离张口形式。导致叶片开裂失效的原因主要有以下三点：（1）设计、生产制造时，尾边区域及叶片表层处的胶衣耐磨性不够。风电机组叶片运转一段时间后，起到保护作用的树脂胶衣已被磨损至最低固合力点，致使叶片光泽退化、产生麻面，进而出现纤维布漏出、复合材料气泡破碎，形成大砂眼，还会出现叶片裂纹增宽、增长、加深，小砂眼向深处扩张的现象，导致风电机组运行时出现阻力、杂音、哨声。（2）固体颗粒物磨损侵蚀。由于修复不及时，会使叶片的损失产生累积效应，在大风速条件下容易发生损坏。（3）叶片呼吸孔堵塞。

（三）雷击造成的损伤：接雷器处以及叶片其他部位都是叶片可能发生失效的位置。叶片受雷击损坏的原因总结为以下几点：（1）引雷器与叶片接触处存有裂隙，雨水或吸潮浸湿后，当雷电击中叶片时，雷电释放的巨大能量使叶片结构内的浸水材料温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升，引起损伤。（2）随着风电机组服役时间延长，叶片表面污浊程度加深，叶片积尘腐蚀其表面，加速叶片表面风化、出现毛刺和弹性减弱，使叶片产生微细裂纹，再加上静电灰尘形成的混合物会使叶片加速老化。阴雨天气时叶片表面湿度较大，如遇雷电天气，极易造成雷电误导现象。（3）叶片接闪器处遇雷击。叶片在雷雨季节过后损伤增加的现实无疑与雷击有着直接关系。

（四）局部表面磨蚀：局部表面磨蚀主要发生在叶尖切迎风面、中部切迎风面、叶片前缘、叶片后缘等部位。导致叶片局部表面磨蚀的原因主要是风沙、水汽磨蚀。旋转的叶片会与空气中的颗粒摩擦碰撞。在多数情况下，叶片叶尖速度超过70 m/s时，空气中的颗粒会导致叶片前缘磨损，后缘涡流磨蚀。叶片被风沙抽磨后，首先出现细小的砂眼，砂眼在海水以及雾气的影响下会逐渐变大。随着叶片使用周期的延长，叶片的抗疲劳能力减弱，也会导致叶片损坏。

（五）局部表面裂纹：局部表面裂纹主要分布于迎风面。由于叶片胶衣抗低温脆性应变差、交变拉伸及机组自振引起的胶衣疲劳、飓风冲击等均会引起胶衣出现裂纹。风电机组叶片运行2年至3年后开始出现表面裂纹，不同部位裂纹发展趋势、演变速度不一。叶片裂纹随着空气中的颗粒物、杂质的侵入以及风电机组的每次自振、停车等都会造成裂纹的进一步加深加宽，最终导致叶片断裂。

（六）运输和吊装造成的损伤：该损伤在不同的阶段都有可能发生。在运输过程中装车、捆绑以及碰擦导致的伤痕，在叶片到场后卸车、吊装过程中壳体受绳具、夹具损伤后，经过一段时间后就会在叶片的表面形成凹陷现象。有些叶片在运输、吊装过程中由于作业不规范而直接被毁损。

（七）运行维护不当造成的损伤：运行维护不当的主要表现有：（1）超额定功率运行，使叶片运行超过设计极限条件，引起叶片疲劳损坏；另外，当机组变桨系统、刹车故障无法使叶轮停止转动时，叶片旋转失速会导致叶片拉裂、抛出，造成风电机组事故。（2）对特定缺陷缺少预防性维护，轻微损伤忽略而坚持运行后演变为严重损伤，叶片出现细短横向裂纹，导致耐冲击能力下降。

三、常见缺陷

叶片结构一般分为外壳和主梁两个主要部分，受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，通常在复合材料板内部及叶片前、后缘及壳梁粘接处容易产生缺陷，常见缺陷有夹杂、气孔、裂纹、分层等；叶片的缺陷可能只是一种类型，也可能是几种类型的缺陷同时存在。

（一）夹杂缺陷：夹杂是指叶片生产过程中引入非结构材料。夹杂的产生主要是主观因素造成的，如：布层铺设时不慎落入的异物、灌注树脂中的异物杂质。

（二）气孔缺陷：气孔是指叶片在成型过程中形成的孔洞，包括布层内纤维束内的孔隙、纤维束与纤维束之间的孔隙以及布层层间的孔隙。产生的原因可以归纳为以下几点：（1）工艺方面：叶片灌注过程中树脂体系引入的气泡、灌注工艺缺陷，导致局部纤维未浸透，叶片成型过程中气泡排挤不完全。（2）原材料方面：树脂与纤维浸润不良、芯材导流效果不良。

（三）裂纹缺陷：叶片的裂纹主要出现在粘接区域，分为胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹。裂纹是在叶片运转一定时间后产生的，而且频率较高，产生裂纹的主要原因是外界冲击、环境骤变和疲劳作用。

（四）分层缺陷：叶片整体是一种复杂的层合板结构，由于各种干扰因素会产生分层现象。叶片的分层主要指纤维层合板间的分层、芯材与纤维层合板间的分层。形成分层的原因有：树脂用量不够、布层污染、真空泄压、二次成型等。

结语

叶片是风电机组的动力部件，叶片状态直接影响到机组性能和发电效率。采取定期或不定期的方式对叶片进行检测监测，对细微缺陷以及隐患进行修复，这样可将叶片损坏失效事故消除在最初状态，是减少事故发生、提高安全系统、稳定风电产业效益的有效方法。

当叶片发生失效事故时，叶片的平衡状态被破坏，将会引起风电机组剧烈振动；若机组保护失效或刹车装置发生延迟，对风电机组轴系以及塔筒也会带来强烈影响，并可能导致整台机组的破坏。在叶片断裂瞬间，极有可能撞击相邻叶片或塔筒，造成事故影响面积扩大。而且，在叶片发生失效事故后，风电场必须进行停机检修，这无疑对风电场运维连续性造成严重破坏。

因此，针对不同风电项目，做好叶片的维护工作，并有针对性的开展叶片的检测工作，可有效提高风电机组的安全性以及可靠性，对风电产业的发展具有重要意义。