针对大型风电叶片安全性的研究

王秋波

摘要：风力发电技术对于能源发展非常重要，但现在其安全性还有待提高，存在许多安全隐患，这就使得设备的疲劳实验验证成为保证新型叶片研发的重要一环。而传统的疲劳试验由于在非规定方向存在载荷，造成误差較大，需要通过更加精确的实验测试其疲劳强度。

关键词：叶片；疲劳；风电

能源资源是能源发展的基石。自改革开放开始以来，，国民经济持续快速发展离不开中国能源工业的迅速发展。但是由于传统的能源利用还存在许多问题，环境压力较大，现在不光我们国家，世界各国都在大力发展新能源产业，各国一致同意“金山银山不如绿水青山”。传统的发电方式一般是通过煤炭，煤炭对于环境的危害是众所周知的，因此现在人们已经采用更加环保的方式来进行发电。风力发电就是非常环保的一种发电方式，而且风能应该也是取之不尽，用之不竭的，越来越受人们的青睐。

世界各国已经日益重视能源安全、生态环境、气候变化等问题，因此世界各国正在加快发展风电技术，并且这已成为国际社会的共同目标，致力于能源转型发展的推动和改善全球气候变暖。在新能源技术中，风电已经作为发展最快和应用最广泛的技术为人们所熟知，已在全球范围内大规模应用开发。我国继煤电、水电之后的第三大电源就是风电。但随着不断扩大应用规模，风电发展也面临不少新的问题。由于叶片发展更偏向于增大其体积和长度，并且考虑到过长的制作周期，因此不可避免地出现一些缺陷。可能出现内含杂质、气孔以及由于粘结剂问题使得外壳的前缘与后缘之间出现黏结不牢。这就使得对于叶片的质量控制非常关键。因此需要进行疲劳试验改进以提高叶片出厂时的产品质量。

风力发电就是将风动能转变成机械运动动能，再由机械能实现发电。风力发电在风的作用下使得叶片旋转，再用过机械提高旋转的速度，使得发电机发电。全国风力发电机使用量将达到2到3千万千瓦已经成为未来15年国家重点规划目标。

风电机组的单机容量已经从最初很少容量发展到现在的兆瓦级，甚至在向十兆瓦级、几十兆瓦级努力，这促进了提高风能捕获，降低了度电成本。叶片是风电发电机实现风能和机械能转化的重要部件，整机的性能和发电效率在很大程度上受叶片状态的好坏的影响，而叶片承受较大的载荷，在恶劣的环境中运行，风雨的腐蚀等等都会影响叶片的寿命，因此随着风电叶片常年的运转，不知道什么时候就会发生意外事故，对风电场的经济效益造成危害。

风电叶片在设计时一般能使用20年，但是风电机组由于载荷不是常量，这种运行特性使其很容易发生疲劳破坏，这就使得风电机组运行安全性出现问题，也许达不到那么高的使用寿命。近年来国内外经常出现风电叶片断裂事故，一旦叶片受到损害，将及修复就非常复杂，而且会使得风力发电机的工作效率降低。因此， 想要提前预警灾难，就必然要对风电叶片实施安全性检查。在设备运转过程中，如若其中某一叶片发生疲劳断裂，则使得另外两个叶片无法继续工作，只有三个完整叶片共同工作才能完成设备的正常运转。这也就造成巨大的经济损失，也可能因此造成更大的安全事故。要避免这种安全隐患，设备的疲劳实验验证成为保证新型叶片研发是否成功的重要一环。

关于风机叶片疲劳加载测试，国外起步较早，发展比较迅速，尤其是德国、丹麦与荷兰处于领先水平。

目前国内在叶片疲劳弯矩优化匹配方面少有研究。乌建中团队[1]运用优化理论建立了叶片弯矩优化匹配数学模型，并以此建立了通用的叶片疲劳弯矩优化匹配软件平台。

在叶片疲劳测试方面，太原理工大学米良、程珩[2]等人提出结合将伴随损伤理论相和非齐次泊松随机过程函数的方法来粗略计算风机叶片疲劳寿命，使载荷作用次序的问题得到有效解决，使风机叶片的疲劳可靠性设计有了新的方向。

中科院工程热物理研究所的石可重、赵晓路[3]等人研究了重力载荷下风机叶片疲劳数值计算方法，结合线性疲劳损伤累计理论和S-N寿命曲线，使用非线性瞬态动力学数值计算方法，提出了新的计算叶片寿命的方法；石可重、毛火军等人把叶片等效成悬臂梁，分析阻尼对叶片模态的影响，结果表明阻尼对频率计算影响很小，可忽略不计；兰州理工大学司敏劼[4]等人通过建立风机叶片有限元模型，对其进行流固耦合数值仿真完成疲劳分析。

但是确实有很多因素导致疲劳破坏，通过计算得到疲劳性能非常苦难。并且其它行业已有的试验经验和知识不能直接应用于评估风电叶片的性能，这都是由于风电叶片其结构的特殊性。

而传统的疲劳试验使得叶片不只在竖直方向受力，还在水平方向受力，造成误差较大。因此研究人员应该将研究重点放在减小实验误差，提高实验精度上，使得实验结果更具有说服力，更加有其实施的合理性。当对于大型风电叶片的疲劳试验检测更加精确时，也就降低了其出厂时应用于风力发电时的突然间折断或者未到额定寿命便疲劳断裂的情况。

并且，目前国内对于进行疲劳试验的相关试验台也还需要加大投入，要叶片模型进行精准的疲劳试验那必然需要有较高要求的试验台，并且应该注意外部实验环境的影响，在实验过程中应该使得外部因素的影响降到最低，避免叶片所受载荷不在与其计算范围内。通过更精确的试验要求，能够使得叶片的安全性更好，并且在使用过程中降低了对人身安全造成危险的风险。这对于提高大型风电叶片的质量、促进国家经济发展有着重要意义。

参考文献：

[1]乌建中，陈策辉.风电叶片电磁脉冲式疲劳加载装置设计[J].装备制造技术，2017（01）：23-25+61

[2]米良，程珩，权龙.基于泊松随机过程的风力发电机叶片疲劳寿命估算[J].机械工程学报，2016，52（18）：134-139

[3]石可重，赵晓路，徐建中.重力载荷下风电叶片疲劳数值计算方法研究[J].太阳能学报，2013，34（02）：181-185

[4]司敏劼，陈振斌，郑玉巧.基于ANSYS兆瓦风力发电机叶片疲劳寿命分析[J].现代制造工程，2016（10）：148-152